Пристрій для регулювання електричного режиму дугової багатофазної електропечі

Пристрій для регулювання елеісгричного режиму дугової багатофазної елеісгропечі, що містить у колі регулювання кожної фази давач напруги дуги, який своїм виходом під'єднаний до входу блока формування сигналу керування, а вихід останнього через підсилювач сполучений зі входом механізму переміщення електрода, регулятор струму дуги, перший вхід якого під'єднаний до виходу задавача струму дуги, а другий до виходу давача струму дуги, блок 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 потужності дуги, задавач потужності дуги, регулятор потужності дуги, перший та другий ключі, компаратор та логічний елемент заперечення НІ, причому перший вхід регулятора потужності дуги під'єднаний до виходу задавача потужності дуги, а його другий вхід сполучений з виходом давача потужності дуги, а входи останнього під'єднані до виходів давача напруги дуги і давача струму дуги, вихід регулятора струму дуги через перший ключ, а вихід регулятора потужності дуги через другий ключ під'єднані до входу блока регулювання індуктивного опору дроселя, перший вхід компаратора сполучений з виходом регулятора струму дуги, а другий під'єднаний до виходу регулятора потужності дуги, а вихід компаратора сполучений з керуючим входом першого ключа і через логічний елемент заперечення НІ з керуючим входом другого ключа Винахід відноситься до електротехніки, зокрема, до систем автоматичного регулювання електричним режимом дугових багатофазних електропечей Відомий пристрій для регулювання електричного режиму дугової багатофазної електропечі, що містить у колі регулювання кожної фази давач напруги дуги, блок формування сигналу керування, підсилювач та механізм переміщення електрода (Автоматизация процессов электроплавки стали ЧІ ФарнасовГА Изд-во "Металлургия", 1972 - 232с С 17) Однак при роботі цього пристрою має місце низька динамічна та статична точність регулювання координат електричного режиму Із відомих пристроїв найближчим до пропонованого є пристрій для регулювання електричного режиму дугової багатофазної електропечі, що містить у колі регулювання кожної фази давач напруги дуги, який своїм виходом підключений до входу блоку формування сигналу керування, а вихід останнього через підсилювач сполучений зі входом механізму переміщення електрода, регулятор струму дуги, перший вхід якого під'єднаний до виходу задавана струму дуги, а другий до виходу давача струму дуги, блок регулювання індуктивного опору дроселя, вихід якого сполучений зі входом дроселя, який включений послідовно з обмоткою високої напруги пічного трансформатора (АС 1042211 СССР Регулятор мощности дуговой многофазной електропечи /Б Д Денис, О Ю Лозинский, Я С Паранчук - Опубл в Б И , 1983, №34) Однак в цьому пристрої наявний значний взаємний вплив між фазними каналами регулювання довжини дуги, що зумовлений використанням в ньому диференційного закону формування сигналу розузгодження Upo3=aU-bl (U,l - усереднені значення напруги та струму дуги, a, b - сталі коефіцієнти), що при чинних схемах систем живлення дуг призводить до хибних переміщень електродів утих фазах, де збурення за довжиною О со Ю 53074 дуги не виникло У результаті цього має місце невиправдано висока дисперсія регульованих координат електричного режиму (напруги, струму та потужності дуги), що спричинює тривалу роботу печі в режимах значного відхилення від раціонального, а це, в свою чергу, призводить до погіршення техніко-економічних показників функціонування дугової електропечі Крім цього, зазначений пристрій має обмежені функціональні можливості у виборі і встановленні бажаних електричних режимів, так як у процесі його роботи є змога реалізувати на певний інтервал плавки лише один тип штучних ЗОВНІШНІХ характеристик печі - характеристик з ділянкою стабілізації струму дуги, що не у повній мірі використовує можливості швидкодійного регулювання індуктивного опору дроселя для оптимізацм режимів роботи електропечі В основу винаходу поставлено завдання створення такого пристрою для регулювання електричного режиму багатофазної електропечі, у якому використовувався би інваріантний до режимів у двох інших фазах принцип формування сигналу керування на переміщення електрода даної фази, що завдяки отриманню автономності фазних каналів регулювання електричного режиму дало б змогу значно зменшити дисперсію регульованих координат, і, як наслідок, поліпшити техніко-економічні показники роботи дугової електропечі В основу створюваного пристрою поставлена також задача реалізації зонного принципу формування бажаної штучної зовнішньої характеристики дугової багатофазної електропечі, у результаті чого з'явилася б можливість точніше адаптувати и вигляд (аналітичну залежність) до вимог одержання бажаного рівня дисперсії струмів і потужностей дуг чи до оптимізацм режимів дугової багатофазної електропечі за компромісним варіантом зниження дисперсії струмів дуг і потужностей дуг, що, у свою чергу, призвело б до поліпшення ряду показників роботи дугової багатофазної електропечі, зокрема, задовільнило б ряд технологічних вимог до значень електричних режимних координат і, перш за все, дало б змогу досягнути рівномірнішого процесу введення активної потужності у плавильний простір печі Поставлене завдання досягається тим, що пристрій для регулювання електричного режиму дугової багатофазної електропечі, що містить у колі регулювання кожної фази давач напруги дуги, який своїм виходом під'єднаний з до входу блоку формування сигналу керування, а вихід останнього через підсилювач сполучений зі входом механізму переміщення електрода, регулятор струму дуги, перший вхід якого під'єднаний до виходу задавача струму дуги, а другий до виходу давача струму дуги, блок 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 потужності дуги, задавач потужності дуги, регулятор потужності дуги, перший та другий ключі, компаратор та логічний елемент заперечення Ш, причому перший вхід регулятора потужності дуги під'єднаний до виходу задавача потужності дуги, а його другий вхід сполучений з виходом давача потужності дуги, а входи останнього під'єднані до виходів давача напруги дуги і давача струму дуги, вихід регулятора струму дуги через перший ключ, а вихід регулятора потужності дуги через другий ключ під'єднані до входу блоку регулювання індуктивного опору дроселя, перший вхід компаратора сполучений з виходом регулятора струму дуги, а другий під'єднаний до виходу регулятора потужності дуги, а вихід компаратора сполучений з керуючим входом першого ключа і через логічний елемент заперечення НІ з керуючим входом другого ключа Завдяки тому, що у пропонованому пристрої сигнал струму дуги вилучений із процесу формування сигналу керування системи регулювання положення електроду, і що формується цей сигнал лише за сигналом відхилення напруги дуги від заданого значення (від уставки за напругою дуги), досягається автономність фазних каналів регулювання положення електродів Крім ліквідації ефекту перенесення збурюючого впливу з фази, де виникло збурення за довжиною дуги, в ІНШІ фази, де у даний момент довжини дуг рівні заданим чи є збурення за довжиною дуги, але з іншим знаком відхилення, який однозначно негативно впливає на показники динаміки системи стабілізації довжини дуги, у пропонованому пристрої усі фазні канали системи регулювання довжини дуги (регулювання положення електрода) стають інваріантними також і до приростів струмів дуг, які вносяться у силове коло системи живлення дуг роботою швидкодіиних фазних контурів регулювання струмів дуг, керуючими впливами яких є ВІДПОВІДНІ прирости індуктивних опорів дроселів Ліквідація у пропонованому пристрої зазначених негативних взаємних впливів як між фазними каналами регулювання довжини дуги так і між системою регулювання довжин дуг і швидкодійною системою регулювання струмів дуг, досягається завдяки формуванню сигналу керування у кожній фазі системи регулювання положення електрода лише за сигналом відхилення и р о з поточної напруги дуги U від заданого значення и у с г (напруги уставки) Upoa-U-UycT Завдяки цьому зменшується дисперсія координат електричного режиму (напруги, струму та потужності дуги), час роботи печі у режимах значних відхилень від заданого і поліпшуються техніко-економічні показники дугової багатофазної електропечі Крім цього, завдяки включенню у структуру швидкодійного контура регулювання струму дуги, задавача потужності дуги, давача потужності дуги, регулятора потужності дуги, компаратора, логічного елемента заперечення НІ, першого та другого ключів, розширюється область встановлюваних електричних режимів дугової багатофазної електропечі, що досягається шляхом формування і реалізації бажаних штучних ЗОВНІШНІХ характеристик дугової електропечі з ділянками стабілізації струму і потужності дуги і використання ВІДПОВІДНОГО алгоритму переведення робочої точки на ту чи іншу ділянку стабілізації 53074 сформованої бажаної штучної зовнішньої характеристики електропечі Завдяки цій можливості вдається одночасно понизити як дисперсію струму дуги, так і дисперсію потужності дуги, що, завдяки отриманню рівномірнішого процесу введення активної потужності в піч, призведе до точнішого дотримання директивного графіка ведення плавки, поліпшення якості металу і зменшення його браку На фіг 1 представлено схему пристрою для регулювання електричного режиму дугової багатофазної електропечі, на фіг 2 подано природну і штучні ЗОВНІШНІ характеристики електропечі та ВІДПОВІДНІ їм природну і штучні залежності потужності дуги від напруги дуги дугової багатофазної електропечі у відносних одиницях, на фіг 3 показано процеси зміни режимних координат, що отримані на цифровій моделі запропонованого пристрою для регулювання електричного режиму дугової багатофазної електропечі, на фіг 4 наведено процеси зміни режимних координат, що отримані на цифровій моделі відомого пристрою (прототипа) для регулювання електричного режиму дугової багатофазної електропечі На фіг З та фіг 4 зображено часові залежності таких режимних координат кожної фази Q=A,B,C) дугової сталеплавильної печі типу ДСП-6 а) f,(t) - збурення у дуговому проміжку за довжиною дуги, б) U,(t) - напруги на дугах, в) l,(t) - струми дуг, г) P,(t) - потужності дуг Пристрій для регулювання електричного режиму дугової багатофазної електропечі містить у колі регулювання кожної фази давач напруги дуги 1, блок формування сигналу керування 2, підсилювач 3, механізм переміщення електрода 4, давач струму дуги 5, задавач потужності дуги 6, давач потужності дуги 7, регулятор потужності дуги 8, задавач струму дуги 9, регулятор струму дуги 10, компаратор 11, логічний елемент заперечення 12, перший ключ 13, другий ключ 14, блок регулювання індуктивного опору дроселя 15, дросель 16 та пічний трансформатор 17, причому вихід давача напруги 1 сполучений зі входом блоку формування сигналу керування 2 і з першим входом давача потужності дуги 7, вихід блоку формування сигналу керування 2 через підсилювач 3 під'єднаний до входу механізму переміщення електроду 4, вихід давача струму дуги 5 сполучений з другим входом давача потужності дуги 7 і другим входом регулятора струму дуги 10, вихід задавача потужності дуги 6 і вихід давача потужності дуги 7 під'єднані до першого і другого входу регулятора потужності дуги 8, а вихід останнього через другий ключ 14 сполучений з входом блоку регулювання індуктивного опору дроселя 15, вихід задавача струму дуги 9 під'єднаний до першого входу регулятора струму дуги 10, а його вихід через перший ключ 13 сполучений з входом блоку регулювання індуктивного опору дроселя 15, а його вихід під'єднаний до входу дроселя 16, який включений послідовно з обмоткою високої напруги пічного трансформатора 17, вихід регулятора потужності дуги 8 і вихід регулятора струму дуги 10 сполучені з першим і другим входами компаратора 11 ВІДПОВІДНО, а вихід останнього 6 під'єднаний до керуючого входу першого ключа 13 і через логічний елемент заперечення НІ 12 до керуючого входу другого ключа 14 Пристрій для регулювання електричного режиму дугової багатофазної електропечі працює наступним чином У дуговій багатофазній електропечі має місце усталений режим, якщо довжини дуг у всіх фазах електропечі мають довжину, за якої напруги на дугах набувають значення напруги уставки и у с г , що є задаючим впливом електромеханічної системи регулювання положення електродів Струм І у кожній фазі печі (струм дуги) у цьому усталеному симетричному режимі прийме значення, що визначається із рівняння встановленої на поточний технологічний період зовнішньої характеристики I=F(U) дугової електропечі При виникненні збурення за довжиною дуги у певній фазі поточна напруга U дуги у цій фазі набуде значення, що відрізняється від значення ІІуст, тобто створюване дугами навантаження стане несиметричним Вектору напруг дуг, що визначає поточний несиметричний режим відповідатиме вектор струмів дуг, що визначається за рівняннями рівноваги силового кола трифазної системи живлення дуг Відпрацювання відхилення напруги дуги U від значення напруги уставки и у с т виконується електромеханічною системою регулювання положення електродів 3 виходу давача напруги дуги 1 сигнал поточної напруги дути U подається на вхід блоку формування сигналу керування 2, де за виразом U-UyCr обчислюється сигнал розузгодження UPo3=U-UycT, а у функції останнього в залежності від встановленої на даний інтервал плавки значення зони нечутливості за цим сигналом, необхідного коефіцієнта підсилення і максимальних швидкостей на піднімання чи опускання електроду, формується у блоці формування сигналу керування 2 сигнал керування UK, що з його виходу поступає на вхід підсилювача 3, у функції вихідного сигналу якого механізм переміщення електрода 4 виконає переміщення електрода і встановиться довжина дуги, напруга на якій дорівнюватиме значенню напруги уставки и у с т Процеси зазначених переміщень електродів у кожній фазі відбуватимуться лише у функції сигналу Up03=UІІуст даної фази і не залежатимуть від значень струмів і напруг дуг інших фаз, тобто при роботі пропонованого пристрою має місце автономний процес регулювання довжини дуги у кожному фазному каналі стабілізації довжини дуги електромеханічної системи регулювання положення електродів дугової багатофазної печі, тобто інваріантний процес регулювання довжини дуги в одній фазі до збурень за довжиною дуги в інших двох фазах і роботи інших контурів регулювання режимних координат Зазначена інваріантність при всіх інших рівних умовах призводить до поліпшення динамічної точності стабілізації напруг дуг на рівні напруги уставки ІІуст, що, у свою чергу, збільшує 53074 тривалість роботи печі на інтервалі плавки у зоні раціональних режимів, де техніко-економічні показники функціонування дугової електропечі приймають значення, близькі до оптимальних Зазначена властивість електромеханічної системи окрім поліпшення техніко-економічних показників самої дугової електропечі, зменшує також негативний вплив роботи печі на технікоекономічні показники електропостачальної мережі, зокрема зменшує коливність напруги мережі, зменшує значення споживаної реактивної потужності, втрати електроенергії як в самій мережі, так і в системі живлення дуг Процеси зміни збурень у дугових проміжках і процеси їх відпрацювання електромеханічними контурами призводять до випадкових несиметричних процесів зміни струмів дуг Для отримання бажаних процесів зміни струмів дуг, що визначаються множиною бажаних інтегральних значень режимних координат чи значень технікоекономічних показників, які ставляться на поточний технологічний період плавки чи на плавку в цілому, у пропонованому пристрої передбачена можливість формувати і реалізовувати за зонним принципом у процесі роботи відповідну їм штучну зовнішню характеристику дугової багатофазної електропечі Для цього діапазон зміни напруги дуги поділяється на три зони зону малих, середніх та великих значень напруги дуги Проведені дослідження з визначення інтегральних значень технікоекономічних показників ДСП показують, що максимальні межі таких зон у відносних одиницях складають 0-0 5, 0 3-0 8 та 0 7-1 0 для першої, другої та третьої зони ВІДПОВІДНО У зоні малих значень напруги дуги реалізується режим стабілізації струму дуги на рівні Істі (характеристика 1 фіг 2) Зміна потужності у цій зоні відбуватиметься згідно прямої З У зоні середніх значень напруги дуги реалізується режим стабілізації потужності дуги струм дуги змінюється за законом, який визначається участком кривої 1 у цій зоні, а потужність дуги стабілізується на рівні Рст (ВІДПОВІДНИЙ участок кривої 3 залежності потужності дуги у цій зоні (горизонтальна пряма 3)) У третій зоні - зоні великих значень напруги дуги - залежності струму і потужності дуги від напруги дуги, що утворюються у пропонованому пристрої, співпадають з ВІДПОВІДНИМИ природними характеристиками (криві 1 і 5 та 3 і 6 попарно співпадають) Таким чином, штучна зовнішня характеристика дугової електропечі, що реалізується пропонованим пристроєм, складається з трьох ділянок, які на фіг 2 позначені символами 1, а ВІДПОВІДНІ їй ділянки зміни потужності дуги - символами З Зовнішня характеристика електропечі, що відтворюється відомим пристроєм (прототипом) складається з двох ділянок, які на фіг 2, позначені символом 2, а залежність потужності дуги подається ділянками 4 Природня зовнішня характеристика дугової багатофазної електропечі і відповідна їй залежність потужності дуги на фіг 2 позначені символами 5 і 6 ВІДПОВІДНО ЗОВНІШНЯ характеристика 1 і відповідна їй 8 залежність потужності дуги 3 у пропонованому пристрої реалізується наступним чином Якщо робоча точка даної фази електропечі перебуває у першій зоні (малі значення напруги дуги), то швидкодійний контур регулювання струму дуги у цій фазі налаштовується на режим стабілізації струму дуги l=lCTi=const Для цього регулятор струму дуги 10 у функції вхідних сигналів, що поступають з виходу задавача струму дуги 9 (сигнал завдання струму дуги Ізав—Істі) і з виходу давача струму дуги 5 (сигнал поточного струму дуги І) формує на своєму виході сигнал керування, який через відкритий перший ключ 13 і блок регулювання індуктивного опору дроселя 15 поступає на вхід дроселя 16, викликаючи такий закон зміни його індуктивного опору, за якого реалізується процес стабілізації струму дуги на рівні І=Істі Другий ключ 14 при перебуванні робочої точки фази у цій зоні відкритий, через що інший сигнал на вхід блоку регулювання індуктивного опору дроселя 15 не поступає Якщо робоча точка фази електропечі переміщається у зону середніх значень напруги дуги, то швидкодійний контур регулювання струму дуги налаштовується на режим стабілізації потужності дуги на рівні P=PCT=const Для цього перший ключ 13 розкривається, а другий ключ 14 закривається і сигнал керування цього контура формується на виході регулятора потужності дуги 8 у функції вхідних сигналів, що поступають на його входи з виходу задавача потужності дуги 6 (сигнал завдання потужності дуги Рзав-Рст) і давача потужності дуги 7 (сигнал пропорційний поточній потужності дуги Р) Вихідний сигнал регулятора потужності дуги 8 через другий ключ 14 і блок регулювання індуктивного опору дроселя 15 поступає на вхід дроселя 16, реалізуючи закон регулювання його індуктивного опору, за якого потужність дуги цієї фази стабілізується на рівні P=PCT-COnst У зоні великих значень напруги дуги ВИХІДНІ сигнали регулятора струму дуги 10 і регулятора потужності дуги 8 набувають нульові значення, за яких індуктивний опір дроселя 16 стає рівним нулю і робоча точка фази електропечі в усталених режимах належить ДІЛЯНЦІ 1 штучної зовнішньої характеристики електропечі, яка співпадає з природною зовнішньою характеристикою 5 Вихідний сигнал компаратора 11 формується у функції вихідних сигналів регулятора струму дуги 10 і регулятора потужності дуги 8 Якщо вихідний сигнал регулятора струму дуги 10 перевищує вихідний сигнал регулятора потужності дуги 8, то вихідний сигнал компаратора 11 набуває значення, за якого перший ключ 13 переводиться у закритий стан, а другий ключ 14 у відкритий стан (встановлюється режим стабілізації струму дуги) Якщо ж сигнал на виході регулятора потужності дуги 8 є більший за вихідний сигнал регулятора струму дуги 10, то перший ключ 13 переводиться у розімкнутий стан, а другий ключ 14 закривається і швидкодіючий контур регулювання струму дуги працює у режимі стабілізації потужності дуги Значення струму стабілізації дуги Істі та потужності дуги Рст розраховуються з умови отримання бажаних значень техніко-економічних 53074 10 виконувалось при використані однієї і тієї ж реалізації процесу збурень f,(t) за довжиною дуги Результати опрацювання отриманих процесів зміни режимних координат зведені у таблиці У цій таблиці подано усереднені значення (математичні сподівання) напруги, струму та потужності дуги U,I,P та їх дисперсії Du,D|,Dp, а також дисперсію напруги мережі живлення du m Аналіз отриманих на цифровій моделі процесів зміни режимних координат U(t),l(t) та P(t) показує працездатність пропонованого пристрою для регулювання електричного режиму дугової багатофазної електропечі, а значення їх інтегральних показників підтверджують досягнення позитивного ефекту у порівнянні з відомим пристроєм похибка між уставкою напруги дуги і фактичним усередненим значенням напруги дуги у пропонованому пристрої складає 0,077В (0,078%), а для відомого пристрою 3,55В (3,08%), тобто має місце поліпшення статичної точності регулювання довжини дуги, дисперсія напруги дуги, що характеризує динамічну точність регулювання довжини дуги, незначно покращується для пропонованого пристрою вона складає 477,92В , а для відомого пристрою - 479,73В , дисперсія струму дуги при роботі пропонованого пристрою зменшується на 28,7% (3,454кА (відомий пристрій) і 2,463кА (пропонований пристрій)), дисперсія потужності дуги зменшується у пропонованому пристрої на 24,7 % (0,0312МВт2 (прототип) і 0,0235МВт2 (пропонований пристрій)) при однаковій середній потужності дуг 1,133МВт Зменшується при роботі пропонованого пристрою на 19,1 % також і дисперсія напруги мережі в точці приєднання дугової електропечі до мережі живлення (120,3В2 (прототип) і 97,3В (пропонований пристрій)) Вибором інших значень задаючих впливів иуст,Істі та Рст пропонованого пристрою можна досягнути інших середніх значень напруги, струму потужності дуги та їх дисперсій і, цим самим, ефективно впливати на значення інших техніко-економічних показників роботи дугової багатофазної електропечі показників роботи дугової електропечі, зокрема середнього значення і дисперсії струму та потужності дуг, за значеннями яких можна робити висновок про ефективність пропонованого пристрою Оптимальні значення сигналів завдання СТруму Ізав—Іст1 ТЭ ПОТУЖНОСТІ Р3ав=Рст ДЛЯ КОЖНОГО технологічного періоду, що є задаючими впливами швидкодійного контуру регулювання струму дуги, можуть бути отримані, наприклад, за результатами моделювання режимів дугової електропечі на цифровій моделі системи живлення та регулювання електричного режиму, складеної у миттєвих координатах за поданою на фіг 1 схемою пропонованого пристрою за умови дії в ній випадкових збурень за довжиною дуги, статистичні характеристики яких адекватні до ВІДПОВІДНИХ статистичних характеристик реального процесу збурень, що діють в електропечі у цих технологічних періодах На фіг 3 приведено отримані на цифровій моделі системи живлення та регулювання електричного режиму дугової сталеплавильної печі ДСП-6, яка відповідає схемі пропонованого пристрою (фіг 1), часові залежності режимних координат f(t),U(t),l(t) та P(t), а на фіг 4 зображено процеси зміни цих же координат, отриманих на цифровій моделі, яка складена за схемою відомого пристрою (прототипу) Подані на фіг 3 і фіг 4 результати виконаних на цифровій моделі математичних експериментів отримані при наступних значеннях керуючих впливів контурів регулювання електромеханічної системи регулювання положення електроду та швидкодійної системи регулювання струмів дуг - для пропонованого пристрою уставка за напругою дуги електромеханічної системи U y c F99 В, для швидкодійної системи ІСті=14,5кА, Рст=1,25МВт, - для відомого пристрою уставки за напругою та струмом електромеханічної системи дорівнюють иУст=114,5В, І уст -12400А ВІДПОВІДНО, для швидкодійного контура ІСТ2-13,0кА Дослідження роботи обох пристроїв Таблиця Показники функціонування пропонованого та відомого пристрою для регулювання електричного режиму дугової багатофазної електропечі Показники Структура Запропонований пристрій (UVCT=99B, Істі=14,5кА, Рст=1,25МВт) Відомий пристрій (прототип) (ІІ уст =114,5В, Іуст=11655В) U, В Du В2 І, А D, кА2 Р, МВт МВт2 DP, DUM, 99,077 477,92 12912 2,463 1,133 0,0235 97,3 110,97 479,7 11579 3,454 1,133 0,0312 120,3 В2 11 53074 ФІГ І ФІГ З ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вуп Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24 12