一种直流电弧炉供电电源控制系统的制作方法

1.本发明属于电弧炉供电电源控制技术领域，涉及一种直流电弧炉供电电源控制系统。


背景技术：

2.相比交流电弧炉，直流电弧炉具有电弧燃烧稳定、电网冲击小、功率因数高、电极损耗小、电压和电流输出纹波小等特点。
3.电弧炉原理是采用石墨电极，以废钢为原材料，通过连接供电电源，对炉料进行放电，形成电弧，达到冶炼的目的，在整个冶炼过程中，电极损耗和维护成本占比重大，为了减少对电极的损耗，需减少输出电流纹波，传统直流电弧炉策略是在输出侧配置大电抗，不仅占地面积大且投入成本高。
4.电弧炉钢铁冶炼功率等级巨大，一般为几十到几百mw，这一特性需要电弧炉供电装置具有易拓展、模块化特点，钢铁冶炼过程中，一次冶炼中断，造成能量损失巨大，这一特性需要直流电弧炉可靠、稳定且具有冗余功能。为了解决上述问题，亟需一种新的直流电弧炉供电电源控制系统。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种直流电弧炉供电电源控制系统，采用两种同步策略，并实施协同控制，极提高直流电弧炉工作效率，同时减少电极损耗，从而提高直流电弧炉经济效益。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种直流电弧炉供电电源控制系统，包括一个总控制器、若干个电极电源控制系统、一个监控系统、一个工业现场控制器、一个hmi(human machine interaction，人机界面)以及一个软录波仪。
8.其中，电极电源控制系统包括若干个功率电源控制系统，电极电源控制系统通过两种同步策略使所有功率电源控制系统实现时钟同步，为电极电源控制系统内部所有功率单元实现载波移相、采样同步提供先决条件，这两种同步策略协同控制，互为冗余。
9.其中，总控制器与所有功率电源控制系统组成线型网络拓扑结构，通讯协议为实时工业以太网。
10.其中，总控制器、监控系统、hmi、软录波仪以及工业现场控制器组成网络架构，通讯协议为以太网协议。总控制器负责汇总从站控制器、电源外围设备、工业现场控制器的数据信息，并上传给监控系统与人机界面hmi。
11.其中，总控制器连接di、do、ai、ao以及rs485模块，总控制器通过di、do、ai、ao、rs485等模块对电弧炉电极、冷却系统、变压器、开关等外围设备实施监控。
12.进一步，总控制器负责汇总所有供电电源底层设备、电源外围设备以及电弧炉电极设备等信息，并上传给监控系统，同时接受监控系统下发控制命令，经过电极工艺控制算
法以及电源逻辑控制算法，产生控制命令下传给供电电源、电弧炉电极以及电源外围设备。
13.进一步，功率电源控制系统由从站控制器、di模块、do模块、vf模块以及n个功率单元组成，从站控制器与di模块、do模块、vf模块以及功率单元都是通过光纤进行通讯，通讯协议为自定义串行通讯。其中，从站控制器负责与总控制器进行数据交换、功能算法以及载波移相控制，并向功率单元下发驱动信号；vf模块负责对功率单元进行数据采样；di模块负责处理开关量输入；do模块负责控制开关量输出。
14.其中，从站控制器是由dsp+fpga+ethercat从站通讯板卡组成，dsp负责控制功能算法；ethercat从站通讯板卡负责处理ethercat通讯数据，同时接受总控制器下发分布时钟同步命令，向fpga产生同步中断信号；fpga负责协同控制两路同步信号。
15.进一步，电极电源控制系统通过两种同步策略使所有功率电源控制系统实现时钟同步，第一种同步策略具体实现方法为：总控制器通过ethercat分布时钟同步功能，使所有从站控制器实现时钟同步。第二种同步策略具体实现方法为：从站控制器之间通过光纤进行通讯，通讯协议为自定义总线协议，默认第一个从站控制器为自定义总线协议主站(简称光纤主站)，其它从站控制器为自定义总线协议从站(简称光纤从站)，光纤主站向光纤从站下发同步脉冲信号，使电极电源内部所有从站控制器实现时钟同步。
16.进一步，两种同步策略协同控制，互为冗余，两种同步策略协同控制具体实现方法为：通过ethercat分布时钟同步功能产生同步信号基准源(同步信号1)，光纤主站默认跟随同步信号基准源产生同步信号2，并向自己和光纤从站下发同步信号2，所有从站控制器可自由选择其中一路同步信号作为主同步信号源，另一路作为备用同步信号源，当主同步信号源发生故障后，自动无缝切换至备用同步信号源。
17.进一步，软录波仪负责记录设备实数数据曲线与历史数据曲线，与总控制器plc通讯协议为ethernet-rt，采集周期可自由设置，最小可达1ms。
18.本发明的有益效果在于：本发明控制系统采用分层控制、网络拓扑架构、模块化设计方案，使直流电弧炉电源具备易拓展、冗余功能等特性。另外，本发明控制系统采用分布时钟同步控制策略，使得底层设备能够实现载波移相，无需配置大电抗，就能有效减少输出电流纹波，极大减少成本投入。本发明发明控制系统提供两种分布时钟同步策略且协同控制，极大提高了直流电弧炉可靠、稳定性，减少了直流电弧炉故障、维护时间，从而提高直流电弧炉冶炼效率。本发明控制系统采用两种同步策略，并实施协同控制，极大提高直流电弧炉供电电源可靠性。
19.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
20.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
21.图1为实施例1提供的直流电弧炉供电电源控制系统图；
22.图2为实施例1提供的从站控制器硬件结构图；
23.图3为实施例1提供的两种同步策略协同控制流程图；
24.图4为实施例2提供的精简版直流电弧炉供电电源控制系统图。
具体实施方式
25.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
26.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
27.实施例1：
28.本实施例提供一种直流电弧炉供电电源控制系统，包括一个总控制器、若干个电极电源控制系统、一个监控系统、一个工业现场控制器、一个hmi以及一个软录波仪。
29.如图1所示，本实例中，总控制器与监控系统的通讯协议为opc，也可适用于其它协议。
30.总控制器与所有功率电源控制系统组成线型网络拓扑结构，通讯协议为ethercat，也可以是其它实时工业以太网协议。
31.总控制器与hmi、软录波仪以及工业现场控制器组成网络架构，通讯协议为以太网协议。
32.总控制器通过di、do、ai、ao、rs485等模块对电弧炉电极、冷却系统、变压器、开关等外围设备实施监控。图1中展示总控制器通过e-bus连接di、do、ai、ao以及rs485模块，也可通过工业以太网连接。
33.电极电源控制系统是由若干个功率电源控制系统组成。
34.功率电源控制系统由从站控制器、di模块、do模块、vf模块以及功率单元组成，从站控制器与di模块、do模块、vf模块以及功率单元都是通过光纤进行通讯，通讯协议为自定义串行通讯。其中，从站控制器负责与总控制器进行数据交换、功能算法以及载波移相控制，并向功率单元下发驱动信号，vf模块负责对功率单元进行数据采样，di模块负责处理开关量输入，do模块负责控制开关量输出。其中，di模块、do模块、vf模块以及功率单元数量可根据功率需求自由配置。
35.如图2所示，本实例中，从站控制器是由dsp+fpga+ethercat从站通讯板卡组成，dsp负责功能算法；ethercat从站通讯板卡负责处理ethercat通讯数据，同时接受总控制器下发分布时钟同步命令，向fpga产生同步中断信号；fpga负责协同控制两路同步信号。如图2所示，负责功能算法的dsp，还可以更换为arm。
36.本发明实例中，总控制器负责汇总从站控制器、电源外围设备、工业现场控制器的数据信息，并上传给监控系统与人机界面hmi。监控系统负责向客户展示电源设备数据信
息、状态信息、报警信息以及历史信息；同时，客户可登陆操作界面对电弧炉所有设备进行相关的控制操作。人机界面hmi负责向客户展示电源底层设备、电源外围设备具体报警信息，方便客户对设备进行维护。软录波仪可在直流电弧炉系统发生故障时，自动地、准确地记录故障前、后各种电气量变化情况，方便故障分析与定位。
37.如图2所示，本实施例的电极电源控制系统通过两种同步策略使所有功率电源控制系统实现时钟同步，第一种同步策略具体实现方法为：总控制器通过ethercat分布时钟同步功能，使所有从站控制器实现时钟同步。第二种同步策略具体实现方法为：从站控制器之间通过光纤进行通讯，通讯协议为自定义总线协议，默认第一个从站控制器为自定义总线协议主站(简称光纤主站)，其它从站控制器为自定义总线协议从站(简称光纤从站)，光纤主站向光纤从站下发同步脉冲信号，使电极电源内部所有从站控制器实现时钟同步。
38.如图3所示，两种同步策略协同控制具体实现步骤如下：
39.1)通过ethercat分布时钟同步功能产生同步信号1作为同步信号基准源；
40.2)光纤主站默认跟随同步信号1产生同步信号2，并向自己和光纤从站下发同步信号2；
41.3)电极电源控制系统内部所有从站控制器选择同步信号1或者同步信号2作为主同步信号源，另一路作为备用同步信号源；
42.4)当主同步信号源发生故障后，从站控制器自动无缝切换至备用同步信号源。
43.实施例2：
44.如果由于场地限制，想要精简直流电弧炉供电电源控制系统电气连接，也可采用如图4所示控制系统。仅采用第一种同步策略实现时钟同步，省略功率控制系统之间光纤通讯。
45.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。