Пристрій для регулювання електричного режиму дугової трифазної електропечі

Винахід відноситься до електротехніки, зокрема до систем автоматичного регулювання електричного режиму дугових трифазних електропечей. Відомий пристрій для регулювання електричного режиму дугової трифазної електропечі, що містить у колі регулювання кожної фази давач струму дуги, давач напруги дуги, блок формування сигналу керування, підсилювач та механізм переміщення електрода (Автоматизация процессов электроплавки стали 4.1. Фарнасов Г.А. Из-во "Металлургия", 1972.- 232с. с.17.). Однак при роботі цього пристрою має місце низька динамічна та статична точність регулювання координат електричного режиму: струмів дуг, потужностей дуг, реактивної потужності печі. Із відомих пристроїв найближчим до пропонованого є пристрій для регулювання електричного режиму дугової трифазної електропечі, що містить у колі регулювання кожної фази давач струму дуги, давач напруги дуги, виходи яких під'єднані до входів блока формування сигналу керування, вихід якого через підсилювач сполучений зі входом механізму переміщення електрода, регулятор режимної координати, перший вхід якого сполучений з виходом задавача режимної координати, а вихід під'єднаний до входу блоку регулювання індуктивного опору дроселя, вихід якого сполучений зі входом дроселя, який включений послідовно з обмоткою високої напруги пічного трансформатора (А.С. 1042211 СССР. Регулятор мощности дуговой многофазной электропечи // Б. Д. Денис, О. Ю. Лозинский, Я.С. Паранчук. - Опубл. в Б.И., 1983, №34). Однак цей пристрій, що містить у кожній фазі швидкодійний електричний контур плавного регулювання еквівалентного індуктивного опору дроселя, допускає у процесі роботи значний середній рівень та значну дисперсію процесу споживання реактивної потужності печі, що негативно впливає на такі показники якості напруги електропостачальної мережі як відхилення напруги від номінального значення та амплітуду коливань напруги від її поточного середнього значення. В основу винаходу поставлено завдання створення такого пристрою для регулювання електричного режиму дугової трифазної електропечі, у якому б завдяки введенню додаткового швидкодійного електричного контуру регулювання реактивної потужності печі досягалося б зменшення динамічної та статичної похибки процесу споживання реактивної потужності у фазах печі, тобто отримувалася б якісна її стабілізація на заданому рівні, у результаті чого зменшувалася б амплітуда коливань (дисперсія) напруги електромережі та середній рівень споживання реактивної потужності у процесі електросталеплавлення і, як наслідок, підвищувалася б продуктивність печі, зменшувався б негативний вплив її роботи на показники функціонування інших споживачів електроенергії, що мають спільну точку під'єднання до шин електромережі, від якої живиться дугова електропіч, зокрема систем освітлення, за чого знижувалася б доза флікеру. Поставлене завдання досягається тим, що пристрій для регулювання електричного режиму дугової трифазної електропечі, що містить у колі регулювання кожної фази давач струму дуги, давач напруги дуги, виходи яких під'єднані до входів блока формування сигналу керування, вихід якого через підсилювач сполучений зі входом механізму переміщення електрода, регулятор режимної координати, перший вхід якого сполучений з виходом задавача режимної координати, а вихід під'єднаний до входу блоку регулювання індуктивного опору дроселя, вихід якого сполучений зі входом дроселя, який включений послідовно з обмоткою високої напруги пічного трансформатора, який відрізняється тим, що додатково містить давач реактивної потужності, давач миттєвого значення струму даної фази печі, давач миттєвого значення лінійної напруги двох інших фаз, причому перший та другий вхід давача реактивної потужності сполучений з виходом давача миттєвого значення струму даної фази печі та з виходом давача миттєвого значення лінійної напруги двох інших фаз відповідно, а вихід давача реактивної потужності під'єднаний до другого входу регулятора режимної координати. Завдяки тому, що у запропонованому пристрої для регулювання електричного режиму дугової трифазної електропечі швидкодійне регулювання індуктивного опору дроселя, а, значить, і відповідний вплив на значення струму кожної фази печі, здійснюється у функції різниці між поточним і заданим значенням реактивної потужності фази печі, то у режимах перевищення поточної реактивної потужності задане значення забезпечується швидкодійне регулювання еквівалентного індуктивного опору дроселя, а значить і відповідне регулювання струму фази, за законом, що відповідає стабілізації реактивної потужності фази печі Q на заданому рівні QЗ(Q=QЗ=const). Зважаючи на те, що мала некомпенсована стала часу електричного контуру регулювання реактивної потужності печі складає 0,004-0,005с, то при відпрацюванні збурень за довжиною дуги електромеханічним (чи електрогідравлічним) контуром переміщення електродів, стала часу яких є значно більша (0,1-0,25с), то процес регулювання реактивної потужності фази печі у зазначених вище режимах можна вважати квазістатичним, тобто значення динамічної та статичної похибки регулювання в них набувають зневажливо малих значень. Завдяки зазначеним вище особливостям та властивостям швидкодійного електричного контуру регулювання реактивної потужності фази печі і при відповідному виборі задаючих впливів режиму: сигналу завдання реактивної потужності печі QЗ, уставки за напругою Uд.уст контура регулювання положення електроду та напруги вторинної обмотки U2ф (ступені) пічного трансформаторного агрегату, у такій двоконтурній структурі системи регулювання реактивної потужності печі, що реалізована у запропонованому пристрої, можна досягнути значного підвищення динамічної точності регулювання (стабілізації) реактивної потужності (зменшити дисперсію реактивної потужності фази печі) та зменшити середній рівень її споживання. Наслідком цього є поліпшення рівня електромагнітної сумісності дугової електропечі та електропостачальної мережі, що проявляється у зменшенні амплітуди коливань напруги електромережі та зменшенні її відхилення від номінального значення, а також у зменшенні дози флікеру і поліпшенні ряду інших техніко-економічних показників функціонування дугової електропечі, на які негативно випливають коливання напруги електромережі і зниження й середнього значення (наприклад, підвищення продуктивності дугової електропечі). На фіг.1 показано схему пристрою для регулювання електричного режиму дугової трифазної електропечі, який у колі регулювання кожної фази містить давач струму дуги 1, давач напруги дуги 2, блок формування сигналу керування 3, підсилювач 4, механізм переміщення електроду 5, регулятор режимної координати 6, задавач режимної координати 7, давач реактивної потужності фази печі 8, давач миттєвого значення струму даної фази печі 9, давач миттєвого значення лінійної напруги двох інших фаз 10, блок регулювання індуктивного опору дроселя 11, дросель 12 та пічний трансформатор 13, причому вихід давача струму дуги 1 та давача напруги дуги 2 сполучені зі входами блоку формування сигналу керування 3, вихід якого через підсилювач 4 під'єднаний до входу механізму переміщення електроду 5, перший вхід регулятора режимної координати 6 сполучений з виходом задавача режимної координати 7, а другий його вхід під’єднаний до виходу давача реактивної потужності фази печі 8, перший і другий входи давача реактивної потужності сполучені з виходом давача миттєвого значення струму даної фази печі 9 та виходом давача миттєвого значення лінійної напруги двох інших фаз 10 відповідно, а вихід регулятора режимної координати 6 через блок регулювання індуктивного опору дроселя 11 сполучений зі входом дроселя 12, який включений послідовно з обмоткою високої напруги пічного трансформатора 13; на фіг.2 представлено процеси зміни режимних координат, що отримані на цифровій моделі запропонованого пристрою для регулювання електричного режиму дугової трифазної електропечі, а на фіг.3 наведено процеси зміни цих же режимних координат, що отримані на цифровій моделі відомого пристрою (прототипа) для регулювання електричного режиму дугової трифазної електропечі, а саме, на фіг.2 та фіг.3 зображено часові залежності таких режимних координат кожної фази печі (j=А, В, С) дугової сталеплавильної печі типу ДСП-6: а) f дj(t) - збурення у дуговому проміжку за довжиною дуги; б) Uдj(t) - напруги на дугах; в) lдj (t) - струми дуг; г) Qj(t) - реактивна потужність фаз печі; д) Uмj-(t) - напруга електропостачальної мережі. У запропонованому пристрої для регулювання електричного режиму дугової трифазної печі відпрацювання збурень електричного режиму виконується двома незалежними контурами регулювання. Перший контур регулювання традиційний електромеханічний (чи електрогідравлічний), що функціонує на базі серійного регулятора потужності дуг (наприклад, типу АРДМ-М, АРДМ-Т, АРДГ), включає давач струму дуги 1, давач напруги дуги 2, блок формування сигналу керування 3, підсилювач 4 та механізм переміщення електрода 5. Цей контур регулювання здійснює відпрацювання збурень, що виникають у дуговому проміжку печі і які призводять до відхилень напруги, струму та потужності дуги від заданих значень шляхом переміщення електрода у напрямі, що ліквідує відхилення поточних значень цих режимних координат від заданих в регуляторі їх значень. Сигнал керування цього контуру Uроз, що формується в блоці формування сигналу керування 3, обчислюється за диференційним законом згідно виразу: Uроз= а·Uд–b·Iд, де Uд, Iд поточні середньовипрямлені значення напруги та струму дуги відповідно; a, b - сталі коефіцієнти, якими посередньо задають бажане значення струму, напруги та потужності дуги. Усталеному режиму роботи печі, при якому Uд=Uд.уст; I д=Iд.уст, відповідає нульове значення параметра регулювання Uроз =0. Для підвищення стійкості процесу регулювання електричного режиму при максимальних значеннях швидкостей та прискорень на піднімання та опускання електрода у блоці формування сигналу керування 3 встановлюється зона нечутливості за сигналом розузгодження d = 3 - 7 % . Тому до усталених у процесі регулювання відносяться режими, у яких поточні значення регульованих координат (струму, напруги) знаходяться у відповідному діапазоні: Iд = Iд.уст ± D I ; Uд = Uд.уст ± DI , а, значить, і відповідні їм значення реактивної потужності фаз печі Q = Q уст. ± D Q , що безумовно погіршує статичну точність регулювання реактивної потужності цим контуром. Крім цього, наявність люфтів, пружностей в елементах кінематичної схеми механізму переміщення електрода та значна інерційність приводу справляють негативний вплив на швидкодію процесу регулювання реактивної потужності фаз печі, що, у свою чергу, негативно впливає на відхилення та коливання напруги у точці під'єднання до неї дугової електропечі. Для підвищення швидкодії, динамічної та статичної точності регулювання реактивної потужності у структуру запропонованого пристрою у кожній фазі регулювання додатково включено окремий електричний швидкодійний контур регулювання реактивної потужності, який складають давач миттєвого значення струму 9, що споживається з мережі даною фазою, давач миттєвого значення лінійної напруги 10 двох інших фаз, давач реактивної потужності 8 даної фази печі, регулятор режимної координати 6, задавач режимної координати 7, блок регулювання індуктивного опору дроселя 11, дросель 12 та пічний трансформатор 13. У процесі функціонування цього контуру відбувається неперервне регулювання величини еквівалентного індуктивного опору дроселя 12 у функції різниці поточного Q(UД) і заданого QЗ значень реактивної потужності даної фази печі на відрізку зміни напруги на дузі Uд, на якому Q(UД)>QЗ за законом регулювання величини еквівалентного індуктивного опору хдр(UД) дроселя 12, що отримується як розв'язок нелінійного рівняння: Uд × r + (Uд × r )2 (r 2 + ( x + xдр (Uд )) 2 ) × (U2ф - U2 ) 2 д U2ф )2 - QЗ = 0 де (r 2 + ( x + x др (Uд )) 2 ) фазна напруга вторинної обмотки пічного трансформатора 13; r, x, хдр -активний та індуктивний опір Q(Uд ) - QЗ = ( x + x др (Uд )) × ( фази печі та еквівалентний індуктивний опір дроселя 12 відповідно, що зведені до параметрів вторинної обмотки пічного трансформатора, а на решті частині діапазону регулювання напруги дуги Uд, де Q(Uд)QЗ, перший (електричний контур), завдяки вищій швидкодії, шляхом відповідного регулювання значення еквівалентного індуктивного опору xдр дроселя 12 відновлює значення реактивної потужності фази печі до рівня заданого значення Q=QЗ, і підтримує це значення реактивної потужності упродовж процесу відпрацювання збурень за довжиною дуги електромеханічним контуром у квазіастатичному режимі. Після виходу робочої точки печі із зони, де Q>QЗ, і переходу в режими, де Q£QЗ, дросель 12 шунтується тиристорами упродовж всього півперіоду напруги (його еквівалентний індуктивний опір xдр=0) і поточне значення реактивної потужності фази електропечі визначається природною характеристикою дугової електропечі Q=f(Uд). У запропонованому пристрої шляхом відповідного вибору координат точки усталеного режиму на зовнішній характеристиці печі, що реалізується встановленням відповідних значень задаючих впливів: уставки електромеханічного контура за напругою дуги Uд.уст, ступені напруги пічного трансформатора U2ф, сигналу завдання на реактивну потужність QЗ, а також за умови використання пропорційно-інтегральної структури регулятора режимної координати 6 за однакових статистичних характеристик збурень у дуговому просторі печі вдається реалізувати процес регулювання електричного режиму печі із значно меншою динамічною і статичною похибкою регулювання реактивної потужності кожної фази дугової трифазної печі ніж у відомому пристрої (прототипі) для регулювання електричного режиму. На фіг.2 та фіг.3 подано отримані на цифровій моделі системи регулювання електричного режиму дугової сталеплавильної печі типу ДСП-6 процеси зміни режимних координат lдj(t), Uдj(t), Qj(t) , Uмj(t) (струму та напруги дуг, реактивної потужності фаз печі та напруги електромережі відповідно) для однієї і тієї ж реалізації процесу збурень за довжиною дуги fдj(t) при функціонуванні пропонованого (фіг.2) і відомого (прототип, фіг.3) пристроїв для регулювання електричного режиму дугової трифазної електропечі. Координати робочої точки печі у цих математичних експериментах вибиралися такими, щоб активна потужність дуг при функціонуванні обох пристроїв була приблизно однаковою. Опрацювання поданих на фіг.2 та фіг.3 розрахункових осцилограм показало наступні значення дисперсій режимних координат пропонованого та відомого пристроїв для регулювання електричного режиму, які зведено у таблиці 1. Таблиця 1 Показники функціонування запропонованого та відомого пристрою для регулювання електричного режиму дугової трифазної електропечі. Показники функціонування Пристрій Запропонований пристрій P д ,МВт Q , Мвар DQ, Мвар UM , В DUM , B2 1,092 1,062 0,0159 3649 36,8 Відомий пристрій (прототип) 1,101 1,391 0,0236 3632 48,4 Подані у таблиці 1 результати досліджень та аналіз характеру зміни зображених на фіг.2 та фіг.3 часових залежностей режимних координат підтверджують покращання динамічної точності регулювання реактивної потужності дугової трифазної електропечі при використанні запропонованого пристрою у порівняний з відомим. Так, аналіз наведених у таблиці 1 даних показує, що при функціонуванні запропонованого пристрою у порівнянні з відомим, має місце зменшення дисперсії реактивної потужності печі на 33% , а середній рівень її споживання зменшився на 24% . Зменшення дисперсії та середнього рівня споживання реактивної потужності за приблизно однакової активної потужності дуг призвело до зменшення дисперсії напруги електромережі у точці під'єднання печі на 25%, а відхилення (просадка) напруги електропостачальної мережі зменшилася на 0,5%. Останнє підтверджує поліпшення електромагнітної сумісності дугової трифазної електропечі та електропостачальної мережі при використанні запропонованого пристрою. Поліпшення статичної точності регулювання реактивної потужності у запропонованому пристрою досягається завдяки значно вищій швидкодії і відсутності зони нечутливості ( d = 0 ) у швидкодійному електричному контурі регулювання реактивної потужності.