簡析鋁電解機(jī)組控制系統(tǒng)的防磁方法

簡析鋁電解機(jī)組控制系統(tǒng)的防磁方法高瑩【摘要】Theinfluenceofthehighmagneticfieldenvironmentonthecontrolsystemofpottendingma-chineispresentedinthispaper,anapproximatecalculationmethodforthemagneticfieldintheelectro-lyticworkshopisgiven.Throughthemeasurementofthegroundfieldandneartheequipmentinwork-shop,thedetailedtechnicalanalysisofthestrongmagneticfieldiscarriedoutinthispaper.Finally,theprotectionandsuppressionmeasuresareadoptedinthedesignoftheelectroniccontrolsystem,andtheapplicationeffectissatisfactory.%本文提出了電解車間強(qiáng)磁場環(huán)境對電解機(jī)組電控系統(tǒng)的影響，給出了電解車間磁場的近似計算方法，同時，通過檢測電解車間地面磁場及電解機(jī)組橋架附近磁場，對電解車間強(qiáng)磁場進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)分析，給出了在電解機(jī)組電控系統(tǒng)設(shè)計中，采取的防護(hù)和抑制措施，取得了滿意的效果.【期刊名稱】《有色設(shè)備》【年(卷)，期】2015(000)005【總頁數(shù)】5頁(P6-9,21)【關(guān)鍵詞】強(qiáng)磁場;干擾;抑制【作者】高瑩【作者單位】中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司，遼寧沈陽110141【正文語種】中文【中圖分類】TF821近年來，國內(nèi)電解鋁行業(yè)得到了迅猛發(fā)展，電解廠房越來越長，電解電流越來越大，由于電解過程中產(chǎn)生了數(shù)十萬安培的電解電流，所以電解車間投產(chǎn)以后，由于電磁感應(yīng)，在電解車間內(nèi)產(chǎn)生了強(qiáng)大的磁場。這一磁場對運(yùn)行在該車間的各種設(shè)備產(chǎn)生了很大影響。鋁電解多功能機(jī)組(以下簡稱電解機(jī)組)是電解車間的重要操作設(shè)備，用于完成打開電解槽電解質(zhì)結(jié)殼、更換陽極、清理陽極坑、電解槽加料、母線提升、吸出鋁水、安裝和檢修電解槽等操作，這一設(shè)備代替了早期電解鋁生產(chǎn)中的人力操作，降低了工作人員的勞動強(qiáng)度，是電解車間必不可少的重要操作設(shè)備。然而該設(shè)備運(yùn)行在電解車間，也無疑受到了電解車間強(qiáng)磁場環(huán)境的影響，特別是電解機(jī)組的電氣控制系統(tǒng)，受到的影響更大。如果不采取措施或采取措施不當(dāng)會出現(xiàn)電解機(jī)組啟動困難［2］、PLC通訊異常、接觸器釋放困難、電氣元件使用壽命降低等問題。較早時期，雖然制造廠商在設(shè)計和制造過程中采取了很多克服磁場和抑制磁場干擾的措施，還是經(jīng)常有以上所述問題出現(xiàn)，設(shè)備成型以后，這些問題解決起來都比較困難，所以必須深入了解電解車間的磁場，并采取有效的防護(hù)和抑制措施，從而保證電解機(jī)組在電解車間高效、穩(wěn)定的運(yùn)行。電解槽為多點(diǎn)進(jìn)電設(shè)備，由于每根母線上的大電流存在，所以在進(jìn)電母線周圍會產(chǎn)生磁場，單根母線周圍產(chǎn)生的磁場根據(jù)畢奧-薩伐爾定律可知：電解槽進(jìn)電母線旁P點(diǎn)與母線相對位置如圖1所示：母線的起點(diǎn)為C,終點(diǎn)為D,C和D之間的距離為l,P點(diǎn)與母線的夾角為。，視母線為近似直線［1］,則磁場強(qiáng)度計算公式(2)為：因在電解車間內(nèi)，進(jìn)電母線一段接著一段，一般長達(dá)1000m以上，這里將母線長度近似為無限長［1］,則：即：從公式(1)~公式(10)可知，磁場強(qiáng)度的大小和母線電流I和與母線的距離r有關(guān)，而在固定的鋁電解車間，母線電流是基本固定的。所以，與母線之間的距離是影響磁場的唯一因素。從上式可知，離母線越近，磁場越大，離母線越遠(yuǎn)，磁場越小。以上分析為理論分析，多處采用了近似計算，存在一定的計算誤差，而且電解車間的實際環(huán)境中還存在著磁場的互相疊加及導(dǎo)磁材料在磁場環(huán)境被磁化等多種因素影響，使得鋁電解車間的磁場環(huán)境非常復(fù)雜［3］。為了更好的了解電解車間的磁場分布情況，筆者進(jìn)行了現(xiàn)場檢測；1-48號電解槽為一組，49-94號電解槽為一組，兩組電解槽中間是通廊，電解槽的車間分布圖如下：選擇靠中部的電解槽從供電側(cè)到非供電側(cè)選擇9個基準(zhǔn)點(diǎn)，分別以X、Y、Z方向進(jìn)行檢測。由檢測結(jié)果繪制成如圖4曲線：另外，根據(jù)測量結(jié)果，得到了車間內(nèi)磁場方向分布圖，見圖5：根據(jù)以上測量結(jié)果筆者進(jìn)行如下分析：距離電解槽進(jìn)電母線越近的地方，磁場強(qiáng)度越大，距離電解槽進(jìn)電母線越遠(yuǎn)的地方，磁場強(qiáng)度越小。按廠房設(shè)計，供電側(cè)通道寬度為4.5m左右，煙道側(cè)通道寬度為2.5m左右，這樣一來，供電側(cè)通道離母線的距離比煙道側(cè)通道離母線的距離遠(yuǎn)，所以，供電側(cè)磁場強(qiáng)度比煙道側(cè)磁場強(qiáng)度小。由于磁力線為橢圓形，在電解槽的中部，磁力線成拱橋形狀，所以在距離地面較近的地方，出現(xiàn)了電解槽兩邊磁場比電解槽中部磁場大的情況。在導(dǎo)磁材料制成的設(shè)備旁邊，因該材料設(shè)備在強(qiáng)磁場環(huán)境中被磁化，所以在導(dǎo)磁材料設(shè)備的附近磁場較高，特別是在導(dǎo)磁材料表面，磁場強(qiáng)度特別高。本文的主要目的是研究鋁電解車間內(nèi)的磁場對鋁電解多功能機(jī)組電氣設(shè)備的影響，所以，對鋁電解多功能機(jī)組橋架上進(jìn)行了磁場檢測，方法同地面磁場檢測。根據(jù)檢測的結(jié)果，也繪制了鋁電解過功能機(jī)組橋架上1.5m高度位置的磁場強(qiáng)度分布圖，見圖6。根據(jù)以上測量結(jié)果進(jìn)行如下分析：由于供電側(cè)通道比煙道側(cè)通道寬，供電側(cè)通道距離電解槽進(jìn)電母線相對較遠(yuǎn)。所以，在電解機(jī)組橋架上，供電側(cè)磁場比煙道側(cè)磁場小。由于磁力線為橢圓形，在電解槽的中部，磁力線成拱橋形狀，所以在距離地面較遠(yuǎn)的電解機(jī)組橋架上，中部磁場強(qiáng)度比兩邊的磁場強(qiáng)度大。⑶在導(dǎo)磁材料制成的設(shè)備旁邊，因該材料在強(qiáng)磁場內(nèi)被磁化，所以在導(dǎo)磁材料設(shè)備的附近磁場較高，特別是在導(dǎo)磁材料表面，磁場強(qiáng)度特別高，某些安裝在厚鋼板表面的電氣設(shè)備難以正常工作。上文中已經(jīng)對電解車間的磁場進(jìn)行了詳細(xì)的分析，而電解機(jī)組電氣設(shè)備上存在的哪些問題是因強(qiáng)磁場的存在造成的，強(qiáng)磁場是怎樣影響電氣設(shè)備的，還需進(jìn)一步分析，了解實際情況之后，便于提出有效的解決方案，抑制電解車間強(qiáng)磁場對電解機(jī)組電氣設(shè)備的影響。(1)電解機(jī)組啟動困難首先，由于電解機(jī)組的車輪屬于導(dǎo)磁材料，而電解車間的軌道也屬于導(dǎo)磁材料，導(dǎo)磁材料在電解車間的強(qiáng)磁場環(huán)境中被磁化，所以在電解機(jī)組車輪和車間軌道的表面都形成了強(qiáng)大的磁場，如圖7所示：在1-12的位置上都會產(chǎn)生較大的磁場強(qiáng)度，從而使這些點(diǎn)和車間軌道之間產(chǎn)生了強(qiáng)大的吸力，而由于車輪所處較大磁體端梁的位置不同，使得“1”和“2”、“4”和“5”、“7”和“8”、“10”和“11”的吸力都有較大差異，當(dāng)每個車輪的兩個邊緣所受吸力不同時，就可能產(chǎn)生與電解機(jī)組啟動方向相反的力，在電解機(jī)組啟動時產(chǎn)生了較大阻力，這是造成電解機(jī)組啟動困難的一個主要原因。其次，雖然電解車間磁場是相對穩(wěn)定的，但是磁場的分布是不均勻的，也就是說不同位置的磁場強(qiáng)度也會有較大差別，而電解機(jī)組的大梁和端梁形成了一個具有導(dǎo)電性能的金屬環(huán)，在電解機(jī)組啟動和行走時，很有可能造成電解機(jī)組形成的金屬環(huán)內(nèi)磁通發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電動勢和電流，使其產(chǎn)生了與電解機(jī)組啟動和行走方向相反的力，這是電解機(jī)組啟動困難的另一個主要因素。(2)PLC通訊不穩(wěn)定眾所周知，PLC是電解機(jī)組控制系統(tǒng)的核心，所有的指令和動作要求都是PLC根據(jù)各點(diǎn)的輸入狀態(tài)和內(nèi)部程序的邏輯關(guān)系發(fā)出的，所以，PLC的工作穩(wěn)定性至關(guān)重要。隨著現(xiàn)代化控制技術(shù)的發(fā)展，電解機(jī)組控制系統(tǒng)中的PLC采用了多點(diǎn)通訊的方式完成數(shù)據(jù)交換。在電解車間的強(qiáng)磁場環(huán)境中，電磁干擾對PLC通訊的影響較強(qiáng)，尤其因各PLC從站和主站處于電解機(jī)組的不同絕緣層，無法實現(xiàn)電纜屏蔽層的接地，不同的PLC框架所處電位不同，這樣一來，電磁環(huán)境對PLC的影響更加嚴(yán)重，如果設(shè)置不正確，還可能出現(xiàn)〃飛車”故障。⑶接觸器等動作元件動作異常接觸器電磁線圈得電時產(chǎn)生磁場克服彈簧彈力將銜鐵吸住使接觸器動觸頭與靜觸頭接通，完成吸合動作，電磁線圈失電后，彈簧將銜鐵彈起。正常應(yīng)用的情況下，彈簧的彈力是按設(shè)計要求選擇的，彈力完全可以在電磁線圈失電后將銜鐵彈起，但如果應(yīng)用在電解車間的強(qiáng)磁場環(huán)境中，就有所不同，這一彈簧一般為金屬導(dǎo)磁材料制成，應(yīng)用在電解車間強(qiáng)磁場環(huán)境中時，彈簧被強(qiáng)磁場磁化，彈簧的相鄰兩圈之間產(chǎn)生吸力，特別是在接觸器處于吸合狀態(tài)時，彈簧相鄰兩圈之間的距離縮短，彈簧相鄰兩圈之間的吸力增大，彈簧彈力克服這一吸力困難，造成了接觸器斷電后，銜鐵不能動作或動作緩慢，接觸器控制的電路不能及時斷電，如果是控制升降設(shè)備的，可能會造成設(shè)備墜地，非常危險。(4)電氣設(shè)備使用壽命低多數(shù)電氣設(shè)備為了實現(xiàn)其控制功能和邏輯判斷等，內(nèi)部都通過電路板、單片機(jī)、電容、電阻、二極管、三極管等電子元件搭接而成，這些電子元件在正常環(huán)境中都能按設(shè)計要求完成其各自的功能，但處于電解車間的強(qiáng)磁場環(huán)境中，由于電磁干擾，其檢測環(huán)節(jié)勢必會產(chǎn)生一定的測量誤差，執(zhí)行環(huán)節(jié)的電子元件也會因電磁干擾產(chǎn)生輸出誤差和電壓、電流不穩(wěn)定等情況，各電氣元件長期處于疲勞運(yùn)行狀態(tài)，嚴(yán)重影響電氣設(shè)備的使用壽命和使用效果。根據(jù)以上對電解車間磁場的分析及對電氣設(shè)備影響的分析，可以采取有效的手段抑制電解車間強(qiáng)磁場對電解機(jī)組電氣設(shè)備的影響。增大輸出功率對于電解機(jī)組啟動困難，可以適當(dāng)提高電解機(jī)組行走電機(jī)的功率，變頻器也按照電機(jī)功率的增大適當(dāng)加大輸出功率。輸出功率增加之后，電解機(jī)組在低頻啟動時啟動轉(zhuǎn)矩將得到大幅提高，有利于克服強(qiáng)磁場產(chǎn)生的阻力完成電解機(jī)組的啟動。車輪及車輪附近處材料的選擇車輪及車輪附近采用無磁鋼等阻磁材料進(jìn)行設(shè)計，對電解機(jī)組端梁被磁化后產(chǎn)生的磁場起到阻斷作用，減小車輪與軌道之間的磁場強(qiáng)度，減少電解機(jī)組啟動時受到的磁場阻力，從而降低設(shè)備的啟動轉(zhuǎn)矩。⑶變頻器參數(shù)調(diào)整變頻器起動模式設(shè)置為預(yù)勵磁啟動，在PLC輸出電解機(jī)組啟動信號后，變頻器對電機(jī)勵磁，但電機(jī)不旋轉(zhuǎn)，待電機(jī)勵磁電流達(dá)到一定程度后電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，有效增加了電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩，有利于克服電解車間強(qiáng)磁場對電解機(jī)組的阻力。另外，有些品牌變頻器可以通過參數(shù)調(diào)整提高啟動時的初始電壓，以提高低頻啟動時的啟動轉(zhuǎn)矩。(4)電控柜設(shè)計所有電氣元件安裝在電控柜內(nèi)，電控柜選用雙層結(jié)構(gòu)，材料選用導(dǎo)磁性能好的金屬材料，使磁力線沿導(dǎo)磁材料制作的電控柜表面形成環(huán)路，大大降低電控柜內(nèi)部的磁場，使得電控柜內(nèi)部的電氣元件處于無磁或弱磁環(huán)境中，有利于抑制磁場對PLC通訊狀態(tài)的影響，同時也有利于提高電控柜內(nèi)部電氣設(shè)備的使用壽命。電控柜位置在對電解車間磁場分析時可知，導(dǎo)磁材料表面磁場強(qiáng)度較大，離電解槽進(jìn)電母線越近，磁場越大。所以為了減小電控柜與大梁表面的接觸面積，遠(yuǎn)離地面，電控柜不采用大梁側(cè)面?zhèn)葤煨问?，而安裝在橋架上。另外，由電解車間磁場分析可知，供電側(cè)是橋架磁場強(qiáng)度最低的，為了降低電氣設(shè)備周圍環(huán)境的磁場，可以將電控柜安裝在靠供電側(cè)一側(cè)。PLC二次屏蔽雖然采取以上措施，但電控柜內(nèi)仍然避免不了存在一定的磁場，選用良好的導(dǎo)磁材料做成金屬罩，罩在各站點(diǎn)PLC外面，對PLC進(jìn)行二次磁屏蔽，從而抑制磁場對PLC通訊的干擾，提高PLC運(yùn)行穩(wěn)定性。PLC的安裝將各站點(diǎn)PLC用絕緣材料墊起來，使PLC與電控柜之間絕緣，通過通訊電纜屏蔽層的連接，各站點(diǎn)PLC處于同一電位，有利于抑制磁場對PLC通訊的干擾。信號線的屏蔽信號電纜特別是模擬量信號電纜選用優(yōu)質(zhì)屏蔽電纜，電纜沿導(dǎo)磁的金屬線槽或橋架敷設(shè)，抑制強(qiáng)磁場對信號傳輸?shù)母蓴_，避免產(chǎn)生較高靜電電壓而燒毀電氣設(shè)備。通過對電解車間磁場的研究和分析，進(jìn)一步了解了強(qiáng)磁場對電解機(jī)組電氣設(shè)備的影響，并根據(jù)分析結(jié)果提出了具體的措施和解決方案，最近幾年，采取了以上提出的各項措施，通過實際應(yīng)用，提高了電解機(jī)組電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性，