轧钢生产线无功补偿装置的研究设计

袁日栋

中冶东方工程技术有限公司  山东省青岛市   266000

摘要：在钢铁企业实际生产过程中，各类冲击性负荷的使用，会导致无功量增多，功率因数低，谐波电流含量大等问题接种而至。无功补偿装置在工业领域中有着十分广泛的应用，其基本原理是利用电感设备来提高电力系统运行效率，通过对电网电压进行调节从而降低电能使用过程中不必要的损耗。

关键词：轧钢；生产线；无功补偿装置；研究设计

1轧钢生产线无功补偿装置总体设计

1.1轧钢生产线无功补偿装置系统设计方案

本设计所研究的无功补偿装置总体设计方案采用的是并联式方案，即在整个轧钢生产线中，由电动机、电表间接触点（或电容器）和补偿电容等组成了一个闭环控制系统。该系统通过自动控制使各部分能达到最佳状态，其工作原理如下：当电机转动时产生相应要求功率因数的直流电机带动滤波电路进行通断，电动机转速下降到所需无功量后停止运转并发出无功指令给输出装置。

1.2轧钢生产线无功补偿装置系统主要性能指标

无功补偿装置的主要性能指标就是功率因数，无功补偿装置工作时，其输出电压为额定电流与最大静稳定度，当电容器组并联至电动机后的电流值等于电网额定允许运行条件下所要求达到规定数值时候电机才能正常运转，所以在设计电容投切控制电路和无功补偿控制器等设备中需要选择合适的输入电阻大小、频率以及输出波形都要满足相关指标，以保证系统能安全可靠地工作。

1.3轧钢生产线无功补偿装置系统的技术要点

确定补偿装置的参数。无功补偿器是用电来带动电机工作，然后将转矩通过减速器、联轴器等输出给电动机，在实际生产中应用这种方式一般不容易实现。

2轧钢生产线无功补偿装置硬件电路

2.1轧钢生产线无功补偿装置的组成

无功补偿装置的硬件组成主要由以下几部分：电容器、晶闸管控制器（又称CSC）和PCB电源电路。电容是一种可调电阻，它具有工作频率高，损耗小，效率低等特点，其基本原理就是利用晶体振荡器中的容值作用来实现对电容两端电压进行调节以使感性负载设备在谐振情况下正常运行。

2.2轧钢生产线无功补偿控制系统

无功补偿系统的控制系统是由自动控制、保护装置、电机和电动机控制器等组成，通过其功能实现对整个轧钢生产线进行实时调节，以提高设备的生产能力。由于在这个设计中只考虑了电感性器件（PLC）与基本电器构成，所以本课题选择使用的是单片机作为核心元件，当该产品有稳定输出负载时能够达到设定值自动补偿，反之则会出现系统工作不正常、不能满足无功功率需求等问题。

2.3轧钢生产线无功补偿控制检测

补偿装置的检测补偿器是在轧制线上有功功率输出时，通过电力变送器把电能转换成机械能，然后用电动机带动传送带将其传送到轧辊、再由换向电机对其进行无级调节。目前国内现有设备的自动控制技术还没有完全成熟，由于生产环境恶劣等原因导致生产线运行不稳定，因此需要定期检测和维护补偿装置工作状态下的无功功率需求及使用情况。

2.4轧钢生产线无功补偿控制电源管理

轧钢生产线无功补偿器的管理，就是对整个系统进行控制，使其运行起来能更好地满足生产要求。本设计采用PLC技术、单片机等来实现自动控制系统。PLC在工业上应用比较早且发展快，它是由一台计算机及多个总线引脚组成的专用控制器，无功补偿器的功能有两个方面，一个用于控制电动机启动和停止时各个晶闸管电源开关状态。

3轧钢生产线无功补偿装置的软件系统

3.1轧钢生产线无功补偿装置软件程序的选择

软件系统是整个无功补偿装置的灵魂，对该装置运行过程中起着非常重要作用，在这里选用了模块化程序设计方法。模块化程序编写时首先需要将其分为若干个小块分别进行调试和测试，然后再根据具体情况来决定选择哪一个部分作为下位机的上位机，其次就是要把这些检测到数据信息通过串口传到PC端以达到实时监控调整参数的目的，最后便是软件系统中对补偿装置无功电流、电压等各方面数据分析与计算。

3.2轧钢生产线无功补偿装置软件系统的建立

在轧制无功补偿装置系统的设计过程中，首先要对该生产线进行在线分析，然后根据实际情况确定补偿设备和电动机以及皮带等主要零部件参数，确定各零部件工作环境，包括：温度、湿度及其他因素，机械性能，传动效率（转速与转矩），同时也应该考虑其安装位置的合理性和电机功率大小、启动频率高低等问题并加以校准以保证装置正常运行状态下，所需无功电流在允许范围内应满足补偿要求。

3.3轧钢生产线无功补偿装置软件系统的操作

无功补偿装置的控制系统是一个软件系统，主要由主控模块、数据采集以及信号处理两大部分组成，本设计采用AT89S51系列单片机作为控制器。其控制功能如下：首先由PLC对晶闸管接通与断开，其次利用电动机调速器带动电容器组运行并启动无功及过流保护电路和限位开关检测各档补偿装置的工作状态是否正常，若是调节不灵敏时再将信号传给功率调整机构使功率调整器自动停止或换挡、复位等动作。

4轧钢生产线无功补偿装置的分析

4.1无功补偿装置的特点

无功补偿装置的组成主要有电动机、减速器和真空换向阀三大部分，这些部件构成了一个完整的生产线系统。在轧钢生产中，由于没有直接用皮带传动带动齿轮转动同时产生电能，所以需要对整个控制系统进行优化，通过调整设备参数来实现自动控制使其能够满足产品质量要求且不影响产量等方面问题，其次是补偿装置的设计要合理、简单易懂并且操作方便和灵活性好强型。

4.2无功补偿装置的方式

本装置可在传统的电声式无功补偿器上进行仿真，以提高其准确性。首先，该并联电容器采用的是单节谐振电路作为开关器件，当电动机两端均达到额定电压时（此时晶闸管或合刀片）会开始工作，然后再通过控制功率环使输出端与额定电容相连接从而构成了双节谐振回路来实现对电动机的稳定运行和无功补偿作用，最后利用软件仿真验证所设计装置的可靠性，提高其经济性。

4.3无功补偿装置的应用

在无功补偿装置中，有很多的应用需要我们不断地实践，研究。首先是关于补偿器参数化设计，现在国内对无功电容器进行了一系列改进和完善工作，第一个方面就是针对其功率因数的提高来进一步提升其性能，第二个方面便是将电容器并联到同一台机器上从而降低成本，第三个则是从安装角度出发在电动机和减速器之间增加电液耦合以减小二者间的距离，这样可以让系统更加稳定运行并且能够实现零漂。

4.4无功补偿装置的仿真

本设计的无功补偿装置主要是运用计算机仿真技术，通过软件对该系统建模，然后在MATLAB环境中运行，利用程序控制调节，最后得到了理想结果。根据以上分析总结，首先从产品本身出发考虑其能耗以及所产生的噪音问题，其次针对电费、机械设备及供电线路等方面做出改善并充分考虑其成本因素后再来选择合适补偿方式和补偿容量大小，再次是通过软件仿真设计对无功功率进行调整与计算从而达到最优化效果。

5结语

无功补偿装置的设计是对现有设备进行改造和创新，从而达到最优化效果，随着时代进步，人们生活水平不断提高，无功补偿技术在各个领域都有了一定应用。本论文主要研究轧钢生产线用电后功率、空载率以及线损因数等方面来确定最佳参数及调整方式以达到最优结果并总结出一些规律性问题及解决的方法和经验教训，最后根据实际情况进行计算然后得出最优化方案设计结论和建议，为以后生产线上其他无功补偿装置提供参考。

参考文献

[1]杨毅.轧钢生产线无功补偿装置的研究设计[J].冶金管理，2020，（1）：147-148.

[2]汤茂然.一种新型静止无功发生器的设计与实现[J].无线互联科技，2019，（4）：71-75.