Пристрій для нечіткого регулювання електричного режиму трифазної дугової сталеплавильної печі

Реферат: Пристрій для нечіткого регулювання електричного режиму трифазної дугової сталеплавильної печі, який у кожному фазному каналі регулювання містить давач струму дуги, давач напруги дуги, виходи яких під'єднані до входів блока порівняння, а його вихід з'єднаний зі входом блока формування сигналу керування, силовий підсилювач, вихід якого через привод переміщення електрода під'єднаний до входу механізму переміщення електрода цієї фази. Додатково у кожній фазі регулювання містить нечіткий регулятор та диференціатор. Вихід блока формування сигналу керування під'єднаний до першого входу нечіткого регулятора і через диференціатор до другого входу нечіткого регулятора. Вихід нечіткого регулятора під'єднаний до входу силового підсилювача. UA 91063 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ НЕЧІТКОГО РЕГУЛЮВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОГО РЕЖИМУ ТРИФАЗНОЇ ДУГОВОЇ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЇ ПЕЧІ UA 91063 U UA 91063 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехніки, зокрема до систем автоматичного регулювання електричного режиму дугових сталеплавильних печей трифазного струму, і може бути використана при проектуванні нових та модернізації існуючих системи регулювання електричного режиму (регуляторів потужності дуг) дугових сталеплавильних печей трифазного струму. Із відомих пристроїв найближчим до пропонованого є пристрій для автоматичного регулювання електричного режиму трифазної дугової сталеплавильної печі (Автоматическое управление электротермическими установками: Учебник для вузов / А.М. Кручинин, К.М. Махмудов, Ю.М. Миронов и др.; Под ред. А.Д. Свенчанского. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 416 с, С. 283), який у кожному фазному каналі регулювання містить давач струму дуги, давач напруги дуги, виходи яких під'єднані до входів блока порівняння, а його вихід з'єднаний зі входом блока формування сигналу керування, силовий підсилювач, вихід якого через привод переміщення електродів під'єднаний до входу механізму переміщення електрода цієї фази. Однак при роботі цього пристрою змінюються показники динаміки відпрацювання збурень за довжиною дуги на інтервалі плавки за причини неперервної зміни (флуктуацій) параметрів дугових проміжків та параметрів елементів короткої мережі (силового кола) дугової сталеплавильної печі. Це є причиною відносно високої дисперсії координат електричного режиму, зокрема напруг, струмів, потужностей дуг, реактивної потужності печі, що негативно впливає на показники електротехнологічної ефективності дугової печі, зокрема мають місце значні питомі витрати електроенергії, значна потужність електричних втрат в елементах короткої мережі і знижується потужність дуг. Зазначена низька динамічна точність стабілізації координат електричного режиму, зокрема значна дисперсія струмів дуг, при роботі цього пристрою спричинює негативний вплив на показники якості електроенергії у точці під'єднання дугової печі до мережі живлення, а саме спричинює значну дозу флікера, призводить до зростання амплітуди коливання та відхилення напруги електромережі у точці під'єднання дугової сталеплавильної печі, спричинює значні обсяги споживання реактивної потужності за плавку. В основу корисної моделі поставлено задачу створення пристрою для нечіткого регулювання електричного режиму трифазної дугової сталеплавильної печі, у якому б завдяки введенню нового функціонального елемента формувався б такий сигнал керування на переміщення електродів, за якого реалізувалася б бажана і з незмінними показниками якості динаміка відпрацювання збурень за довжиною дуги на повному інтервалі плавки, яка відповідала б бажаному аперіодичному (неколивному, без перерегулювання) законові руху електрода. За умови підтримання показників динаміки відпрацювання збурень за довжиною дуги на рівні бажаних упродовж плавки в умовах неперервних флуктуацій параметрів елементів силового кола та дугових проміжків (перш за все зміни градієнта напруги на стовпі дуги, зони нечутливості тощо), у такому пристрої підвищувалася б динамічна точність регулювання (стабілізації) довжин дуг, а, значить, і напруг, струмів, потужностей дуг та реактивної потужності дугової печі, зменшувалася б їх дисперсія і, як наслідок, поліпшувалися б техніко-економічні показники та показники електротехнологічної ефективності плавлення сталей в дугових сталеплавильних печах, зокрема підвищувалася б середня потужність дуг, підвищувалася б продуктивність дугової сталеплавильної печі, зменшувалася б потужність електричних втрат в елементах короткої мережі, зменшувалися б питомі витрати електричної енергії, зменшувалося б споживання реактивної потужності, поліпшувалися б показники якості електроенергії на шинах живлення дугової сталеплавильної печі, зокрема знижувалася б доза флікера тощо. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для нечіткого регулювання електричного режиму трифазної дугової сталеплавильної печі, який у кожному фазному каналі регулювання містить давач струму дуги, давач напруги дуги, виходи яких під'єднані до входів блока порівняння, а його вихід з'єднаний зі входом блока формування сигналу керування, силовий підсилювач, вихід якого через привод переміщення електрода під'єднаний до входу механізму переміщення електрода цієї фази, який відрізняється тим, що додатково у кожній фазі регулювання містить нечіткий регулятор та диференціатор, причому вихід блока формування сигналу керування під'єднаний до першого входу нечіткого регулятора і через диференціатор до другого входу нечіткого регулятора, а вихід нечіткого регулятора під'єднаний до входу силового підсилювача. Завдяки тому, що у пристрої для нечіткого регулювання електричного режиму трифазної дугової сталеплавильної печі реалізовано формування сигналу керування на переміщення електрода нечітким регулятором на основі контролю вихідного сигналу блока формування сигналу керування і його похідної, підтримуються бажані і незмінні показники динаміки відпрацювання збурень за довжиною дуги на повному інтервалі плавки в умовах неперервної 1 UA 91063 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 зміни параметрів елементів короткої мережі (силового кола) та дугових проміжків дугової сталеплавильної печі. Це, у свою чергу, призводить до зменшення дисперсії координат електричного режиму (напруг, струмів, потужності дуг, реактивної потужності печі) і, як наслідок, дає змогу комплексно поліпшити показники електротехнологічної ефективності плавлення сталей та сплавів в дуговій сталеплавильній печі і покращити показники якості електроенергії на шинах живлення дугової сталеплавильної печі. На фіг. 1 представлено функціональну блок-схему пропонованого пристрою для нечіткого регулювання електричного режиму трифазної дугової сталеплавильної печі для одного фазного каналу регулювання. На фіг. 2 представлено процеси регулювання струму дуги при відпрацюванні детермінованих збурень за довжиною дуги запропонованим пристроєм (пунктирна крива) та відомим пристроєм (неперервна крива). На фіг. 3 представлено процеси регулювання напруги дуги при відпрацюванні детермінованих збурень за довжиною дуги пропонованим пристроєм (пунктирна крива) та відомим пристроєм (неперервна крива). На фіг. 4 показано процеси регулювання довжини дуги   (t), напруги дуги U (t), струму дуги   (t), потужності дуги  (t) та потужності електричних втрат Pe.вm(t) при відпрацюванні випадкових збурень за довжиною дуги пропонованим пристроєм. На фіг. 5 показано процеси регулювання довжини дуги   (t), напруги дуги U (t), струму дуги   (t), потужності дуги  (t) та потужності електричних втрат Pe вm(t) при відпрацюванні випадкових збурень за довжиною дуги відомим пристроєм. На фіг. 1 позначено: 1 - давач струму дуги, 2 - давач напруги дуги, 3 - блок порівняння; 4 блок формування сигналу керування, 5 - нечіткий регулятор; 6 - диференціатор, 7 - силовий підсилювач; 8 - привід переміщення електрода, 9 - механізм переміщення електрода. На фіг. 1 також позначено: 10 - пічний трансформатор. Пристрій для нечіткого регулювання електричного режиму трифазної дугової сталеплавильної печі у кожному фазному каналі регулювання містить давач струму дуги 1, давач напруги дуги 2, виходи яких під'єднані до входів блока порівняння 3, вихід якого сполучений зі входом блока формування сигналу керування 4, вихід якого сполучений з першим входом нечіткого регулятора 5 та через диференціатор 6 з другим входом нечіткого регулятора 5, а вихід нечіткого регулятора 5 через силовий підсилювач 7 та привід переміщення електрода 8 сполучений з входом механізму переміщення електрода 9, вхід давача струму дуги 1 та вхід давача напруги дуги 2 під'єднані до відповідної фази вторинного кола пічного трансформатора 10. Основною особливістю систем регулювання електричного режиму дугових сталеплавильних печей є неможливість отримання точного математичного опису об'єкта керування - силового нелінійного електричного кола живлення трифазних дуг без нульового провідника та самих дугових проміжків. Це унеможливлює реалізацію бажаних (оптимальних за певними критеріями) і незмінних по ходу плавки законів руху електродів в умовах неперервної дії інтенсивних параметричних та координатних збурень на основі методів та підходів класичної теорії автоматичного керування. Саме тому у пропонованому пристрої бажаний аперіодичний (неколивний, без перерегулювання) закон руху електродів та адаптацію цього закону до параметричних та координатних збурень, що виникають в об'єкті та системі керування, запропоновано реалізувати на основі методів теорії нечітких множин, які не вимагають наявності точного математичного опису (точної математичної моделі) об'єкта керування та використання зворотних зв'язків за цими збурюючими впливами. Для цього у пропонованому пристрої формування сигнала керування на переміщення електрода реалізовано на основі системи нечіткого виводу, наприклад на основі нечіткого регулятора Такаґі-Сугено-Канга, у функції вихідного сигналу U  ( t ) блока формування сигнала керування 4 та його приростів k 50 (похідної) U  ( t ) . k Пристрій для нечіткого регулювання електричного режиму трифазної дугової сталеплавильної печі працює наступним чином. У пристрої поставлена задача підвищення динамічної точності стабілізації координат електричного режиму, досягається завдяки перетворенню вихідного сигналу U  ( t ) блока формування сигналу керування 4 нечітким k 55 регулятором і формування такого скорегованого сигналу U керування на переміщення kk електрода, за якого отримується бажаний (неколивний, без перегулювання) закон руху електрода при різних амплітудах збурень за довжиною дуги, при зміні градієнта напруги на стовпі дуги, при наявності та дії нелінійності типу "люфт" у прямому каналі регулювання довжини дуги та за дії і змін інших параметрів дугових проміжків, системи керування та 2 UA 91063 U параметрів елементів короткої мережі дугової сталеплавильної печі. Формування сигналу керування на переміщення електрода U на основі математичної моделі системи нечіткого kk виводу, що реалізована у нечіткому регуляторі 5, виконується у функції вихідного сигналу U k 5 10 15 блока формування сигналу керування 4 та його приростів (похідної) U , що надходять на k перший та другий входи нечіткого регулятора 5 відповідно. Вихідний сигнал Uв силового підсилювача 7 (напруга на якорі двигуна) надходить на вхід привода переміщення електрода 8, а вихідний сигнал останнього в (кутова швидкість двигуна) є вхідним сигналом механізму переміщення електрода 9. Вихідним сигналом механізму переміщення електрода 9 є прирости довжини дуги   , що скеровані на компенсацію збурень за довжиною дуги, які виникають у дуговому проміжку відповідної фази. На вхід давача струму дуги 1 і на вхід давача напруги дуги 2 надходять миттєві значення струму і та напруги u  дуги певної фази відповідно. Сигнал розузгодження Uроз електричного режиму формується в блоці порівняння 3 відповідно до моделі диференційного закону регулювання: Uроз = aU  b  де а та b - незмінні коефіцієнти, що задають усталений електричний режим;   ,U - поточні діючі значення струму та напруги дуги, що формуються на виходах давача струму дуги 1 та давача напруги дуги 2 відповідно. У функції цього сигналу розузгодження Uроз в блоці формування сигналу керування 4 формується сигнал на переміщення електрода U з врахуванням необхідної для поточного k інтервалу (технологічної стадії) плавлення зони нечутливості, коефіцієнта підсилення системи переміщення електрода, максимальної (маршової) швидкості піднімання та опускання 20 25 30 35 40 45 50 55 електрода. Але модель формування сигналу U в блоці 4 не враховує змін параметрів об'єкта k керування (короткої мережі, дугових проміжків) та системи автоматичного керування і показники динаміки регулювання довжини дуги (наруги, струму, потужності дуги, реактивної потужності дугової печі) за такої моделі керування будуть змінюватися від флуктуацій вказаних параметрів: реакції системи на одиничні збурення за довжиною дуги знаходитимуться в межах від монотонного перехідного процесу з низькою швидкодією (значним часом регулювання) до високої швидкодії зі значними перегулюваннями, що межують з областю нестійкості, які є однаково небажаними з позиції енергоефективності керування, вимог технології плавлення, показників електромагнітної сумісності, стійкості регулювання тощо. У запропонованому пристрої цей недолік усувається завдяки використанню нечіткої моделі формування сигналу керування на переміщення електрода, яка реалізована в нечіткому регуляторі 5, і за якої виконується оперативна адаптація закону руху електрода до зміни параметрів об'єкта та системи керування, і реалізації завдяки цьому бажаного монотонного, неколивного, без перегулювання закону руху електрода, який підтримується незмінним в умовах неперервної дії вказаних вище параметричних та координатних збурень на повному інтервалі плавки. Модель синтезу сигнала керування нечітким регулятором проектується на основі експертних знань і отримується у результаті синтезу за відомими методиками алгоритмічних та параметричних ступенів свободи системи нечіткого виводу (нечіткого регулятора) Такагі-СугеноКанга, яка реалізується на спеціалізованих цифрових чи універсальних мікропроцесорних пристроях. Вхідними лінгвістичними змінними нечіткого регулятора 5 у пропонованому пристрої є вихідний сигнал U блока формування сигналу керування 4 та його прирости U (похідна), k k що формуються на виході диференціатора 6. Таким чином, основний ефект від використання корисної моделі досягається завдяки тому, що регулювання довжин дуг у процесі електросталеплавлення пропонованим пристроєм виконується з використанням сформованого на основі нечіткої моделі сигналу на переміщення електродів, дія якого скерована на підвищення динамічної точності стабілізації довжин (напруг, струмів та потужностей) дуг, тобто на мінімізацію середньоквадратичної похибки регулювання довжин (напруг, струмів, потужностей) дуг, що, як результат, призводить до зменшення їх дисперсій та відповідного покращання інших техніко-економічних показників дугової сталеплавильної печі. Для підтвердження цього та отримання оцінок зменшення дисперсії названих вище координат електричного режиму при роботі пропонованого пристрою у порівнянні з відомим, були проведення порівняльні модельні дослідження на створених цифрових (комп'ютерних) моделях відомого та пропонованого пристрою. Для цього було створено цифрову модель типового (серійного) регулятора потужності дуг типу АРДМ-Т-12 стосовно параметрів дугової 3 UA 91063 U 5 10 15 сталеплавильної печі ДСП-200 (цифрова модель відомого пристрою), виконано проектування нечіткого регулятора Такагі-Сугено-Канга та отримано його алгоритмічні та параметричні ступені свободи з метою оперативного формування на основі такої нечіткої моделі сигналу на переміщення електрода для мінімізації середньоквадратичної похибки (дисперсії) регулювання координат електричного режиму. Аналіз показаних на фіг. 2 часових залежностей зміни струму дуги і наведених на фіг. 3 процесів зміни наруги дуги при роботі пропонованого пристрою (перервна крива) та відомого (неперервна крива) підтверджує отримання бажаного (неколивного, без перерегулювання) закону руху електрода при відпрацюванні різних за амплітудою та знаком детермінованих збурень за довжиною дуги при роботі пропонованого пристрою. Аналіз показаних на фіг. 4 часових залежностей регулювання довжини дуги та координат електричного режиму (наруги, струму, потужності дуги та потужності електричних втрат) при роботі пропонованого пристрою показує підвищення динамічної точності регулювання (точності стабілізації) у порівнянні з точністю стабілізації довжини дуги та координат електричного режиму (наруги, струму, потужності дуги та потужності електричних втрат), що отримуються при функціонуванні відомого пристрою. Таблиця Структура CAP Показники Збурення за довжиною дуги Напруга дуги U Струм дуги   Потужність дуги Рд Потужність електричних втрат в короткій мережі Рев 20 25 30 35 40 Регулятор АРДМ-Т-12 Математичне Дисперсія сподівання -3 -4 2 -1,59•10 м 1,92•10 м -3 2 445,6 В 3,531•10 В 4 8 2 12 6,88•10 А 7 2,97•10 Вт Вт 2,94•10 Α 13 2 2,33•10 Βт 6 3,27•10 Вт 2,01•10 2 Пропонований пристрій Математичне Дисперсія сподівання -6 -4 2 -1,04•10 м 1,894•10 м -3 2 439,4 В 2,885•10 В 4 7,10•10 Α 7 3,04•10 Вт 6 3,23•10 Βт 8 2 2,34•10 А 13 2 1,65•10 Вт 12 1,68•10 Вт 2 Інтегральні показники - математичне сподівання та дисперсія, що подають оцінки якості регулювання (стабілізації) довжини дуги та координат електричного режиму, які отримані за результатом статичного опрацювання наведених на фіг. 4 і фіг. 5 часових залежностей регулювання вказаних вище координат електричного режиму, зведені у таблиці 1. Аналіз наведених у таблиці 1 значень інтегральних показників якості динаміки показує підвищення динамічної точності стабілізації координат електричного режиму за використання пропонованого пристрою у порівнянні з їх значеннями, що отримуються при функціонуванні 13 2 відомого пристрою, зокрема дисперсія потужності дуг зменшилася на 23 %: з 2,33•10 Вт 13 2 (відомий пристрій) до 1,65•10 Вт (пропонований пристрій); напруги дуги - на 18 %, струму дуги - на 20 %. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Пристрій для нечіткого регулювання електричного режиму трифазної дугової сталеплавильної печі, який у кожному фазному каналі регулювання містить давач струму дуги, давач напруги дуги, виходи яких під'єднані до входів блока порівняння, а його вихід з'єднаний зі входом блока формування сигналу керування, силовий підсилювач, вихід якого через привод переміщення електрода під'єднаний до входу механізму переміщення електрода цієї фази, який відрізняється тим, що додатково у кожній фазі регулювання містить нечіткий регулятор та диференціатор, причому вихід блока формування сигналу керування під'єднаний до першого входу нечіткого регулятора і через диференціатор до другого входу нечіткого регулятора, вихід нечіткого регулятора під'єднаний до входу силового підсилювача. 4 UA 91063 U 5 UA 91063 U 6 UA 91063 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7