устройство для регулирования мощности трехфазной дуговой электропечи

Формула изобретения

Устройство для регулирования мощности трехфазной дуговой электропечи, содержащее в цепи регулирования каждой фазы датчик тока дуги, датчик напряжения дуги, выходы которых соединены со входами блока сравнения, выход которого подсоединен ко входу усилителя, а выход последнего соединен со входом механизма перемещения электрода, регулятор режимной координаты, первый вход которого соединен с выходом задатчика этой координаты, а его выход подсоединен ко входу блока регулирования индуктивного сопротивления дросселя, выход которого соединен со входом дросселя, включенного последовательно с обмоткой высокого напряжения печного трансформатора, отличающееся тем, что дополнительно содержит датчик мощности дуги, входы которого соединены с выходами датчика тока дуги и датчика напряжения дуги, а его выход подсоединен ко второму входу регулятора режимной координаты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системам автоматического регулирования мощности трехфазных дуговых электропечей.

Известно устройство для автоматического регулирования мощности трехфазных дуговых электропечей, содержащее в цепи регулирования каждой фазы датчик тока дуги, датчик напряжения дуги, блок сравнения, усилитель и механизм перемещения электрода (Электрооборудование и автоматика электротермических установок. Справочник./Альтгаузен А.П., Бершицкий И.М., Бершицкий М.Д. и др. М. Энергия, 1978. - 304 с., с.254-257). Однако при работе этого устройства имеет место низкая динамическая и статическая точность регулирования мощности дуг.

Из известных устройств ближайшим к предлагаемому есть устройство для регулирования мощности трехфазной дуговой электропечи, которое содержит в цепи регулирования каждой фазы датчик тока дуги, датчик напряжения дуги, выходы которых соединены со входами блока сравнения, выход которого подсоединен ко входу усилителя, а выход последнего соединен со входом механизма перемещения электрода, регулятор режимной координаты, первый вход которого соединен с выходом задатчика этой координаты, а его выход подсоединен ко входу блока регулирования индуктивного сопротивления дросселя, выход которого соединен со входом дросселя, который включен последовательно с обмоткой высокого напряжения печного трансформатора (А.С. 1042211 СССР. Регулятор мощности дуговой многофазной электропечи./Б.Д. Денис, О.Ю. Лозинский, Я.С. Паранчук. - Опубл. в Б.И. №34, 1983).

Однако это устройство, которое содержит в каждой фазе быстродействующий контур для плавного регулирования тока дуги, допускает в процессе работы значительную динамическую погрешность регулирования мощности дуги, которая ведет к высокому уровню дисперсии мощности дуг, возникающей из-за значительной инерционности усилителя и механизма перемещения электрода (постоянная времени составляет 0,1-0,25 с), а также статическую погрешность регулирования мощности дуги, которая имеет место ввиду наличия зоны нечувственности в прямом канале регулирования мощности (в зависимости от периода плавки и типа регулятора мощности зона нечувственности по параметру регулирования устанавливается в границах 3-7%). Указанные динамическая и статическая погрешности регулирования мощности отрицательно влияют на точность реализации директивного технологического графика ведения плавки, что в конечном случае ухудшает технико-экономические показатели плавки, показатели качества выплавляемого металла, является причиной неравномерного износа кладки боковых стенок печи и т.п.

В основу изобретения поставлена задача создания такого устройства для регулирования мощности трехфазной дуговой электропечи, в котором благодаря введению дополнительного быстродействующего контура стабилизации мощности дуги достигалось бы значительное уменьшение динамической и статической погрешностей регулирования мощности дуг и обеспечивался бы более равномерный по фазам процесс ввода активной мощности в печь, в результате чего уменьшалась бы дисперсия мощности дуг, повышалась бы точность реализации директивного технологического графика ведения плавки и, как следствие, улучшались бы значение технико-экономических показателей работы самой электропечи и показатели качества выплавляемого металла.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для регулирования мощности трехфазной дуговой электропечи, содержащее в цепи регулирования каждой фазы датчик тока дуги, датчик напряжения дуги, выходы которых соединены со входами блока сравнения, выход которого подсоединен ко входу усилителя, а выход последнего соединен со входом механизма перемещения электрода, регулятор режимной координаты, первый вход которого соединен с выходом задатчика этой координаты, а его выход подсоединен ко входу блока регулирования индуктивного сопротивления дросселя, выход которого соединен со входом дросселя, который включен последовательно с обмоткой высокого напряжения печного трансформатора, который отличается тем, что дополнительно содержит датчик мощности дуги, входы которого соединены с выходами датчика тока дуги и датчика напряжения дуги, а его выход подсоединен ко второму входу регулятора режимной координаты.

В предложенном устройстве регулирование мощности дуги осуществляется плавно и непрерывно двумя контурами: традиционным электромеханическим и дополнительно включенным быстродействующим электрическим. Управляющими воздействиями первого (электромеханического) контура являются приращения длины дуги, а второго (электрического) контура - приращения индуктивного сопротивления дросселя, включенного в цепь питания первичной обмотки печного трансформатора. Благодаря реализации в предложенном устройстве быстродействующего регулирования индуктивного сопротивления дросселя, которое осуществляется в функции разности между текущим и заданным значениями мощности дуги, то в режимах превышения текущим значением мощности дуги заданный уровень обеспечивается быстродействующее регулирование тока дуги по гиперболическому закону, который отвечает режиму стабилизации мощности дуги Р_д на заданном уровне Р_дз (Р_д=Р_дз=const). Учитывая то, что малая некомпенсированная постоянная времени этого электрического контура регулирования мощности составляет 0,004-0,005 с, то при отрабатывании возмущений за длиной дуги известным (традиционным) электромеханическим или электрогидравлическим контуром регулирования положения электродов, со значительно большим значением постоянной времени (0,1-0,25 с), процесс регулирования мощности дуг в указанных выше режимах электрическим контуром можно считать квазистатическим, то есть значения динамической и статической погрешности регулирования в них близкие к нулю. Благодаря указанным выше свойствам быстродействующего электрического контура регулирования мощности дуг и при соответствующем выборе значения задания мощности дуг Р_дз этого контура и положения точки установленного режима на внешней характеристике электропечи, которое задается значением уставки электромеханического контура по напряжению дуги U_д=U_д.уст, в такой быстродействующей двухконтурной структуре системы регулирования мощности дуг, которая реализована в предложенном устройстве, можно достичь значительного повышения динамической и статической точности регулирования мощности дуг (уменьшения значения дисперсии мощности дуг), то есть реализовать более равномерный во времени и более симметричный по фазам процесс выделения мощности в дуговом пространстве печи. Следствием этого является возможность вести плавку с более точным соблюдением директивного графика и при улучшеных значениях технико-экономических показателей печи и показателей качества выплавленного металла.

На фиг.1 представлена схема устройства для регулирования мощности трехфазной дуговой электропечи; на фиг.2 показаны процессы изменения режимных координат, полученных на цифровой модели предложенного устройства для регулирования мощности трехфазной дуговой электропечи; на фиг.3 приведены процессы изменения режимных координат, которые получены на цифровой модели известного устройства (прототипа) для регулирования мощности трехфазной дуговой электропечи. На фиг.2 и фиг.3 изображены временные зависимости следующих режимных координат каждой фазы (j=A, В, С) дуговой сталеплавильной печи типа ДСП-6:

а) f_дj(t) - возмущение в дуговом промежутке за длиной дуги;

6) U_дj(t) - напряжения на дугах;

в) I_дj(t) - токи дуг;

г) P_дj(t) - мощности дуг.

Устройство для регулирования мощности трехфазной дуговой электропечи содержит в цепи регулирования каждой фазы датчик тока дуги 1, датчик напряжения дуги 2, блок сравнения 3, усилитель 4, механизм перемещения электрода 5, датчик мощности дуги 6, задатчик режимной координаты 7, регулятор режимной координаты 8, блок регулирования индуктивного сопротивления дросселя 9, дроссель 10 и печной трансформатор 11, причем выход датчика тока дуги 1 и датчика напряжения дуги 2 соединены со входами блока сравнения 3 и с входами датчика мощности 6, выход блока сравнение 3 через усилитель 4 подсоединен ко входу механизма перемещения электрода 5, первый вход регулятора режимной координаты 8 соединен с выходом задатчика режимной координаты 7, а второй его вход подсоединен к выходу датчика мощности дуги 6, выход регулятора режимной координаты 8 через блок 9 регулирования индуктивного сопротивления дросселя соединен со входом дросселя 10, который включен последовательно с обмоткой высокого напряжения печного трансформатора 11.

В предложенном устройстве для регулирования мощности трехфазной дуговой электропечи отработка возмущений, приводящих к отклонению текущей мощности дуги от заданной, выполняется двумя независимыми контурами регулирования. Первый контур регулирования - традиционный электромеханический или электрогидравлический, функционирующий на базе одного из серийных регуляторов мощности дуг (например, типа АРДМ-М, АРДМ-Т или АРДГ), включает датчик тока дуги 1, датчик напряжения дуги 2, блок сравнения 3, усилитель 4 и механизм перемещения электрода 5. Этот контур регулирования осуществляет отрабатывание возмущений, которые возникают в дуговом промежутке и приводят к отклонению текущей мощности дуги Р_д от заданного значения Р_дз, путем перемещения электрода в направлении, которое ликвидирует отклонение текущего значения мощности дуги от заданного в регуляторе значения. Сигнал управления (рассогласования) этого контура U_pac вычисляется по дифференциальному закону согласно выражению U_pac=а U_д-b I_д, где U_д, I_д - текущие средневыпрямленные значения напряжения и тока дуги соответственно; a, b - постоянные коэффициенты, которые определяют уставку мощности этого контура (электромеханического дифференциального регулятора мощности дуги). Установленному (заданному) режиму работы электропечи, при котором U_д=U_д.уст и I_д=I_д.уст, отвечает нулевое значение параметра регулирования U_pac=0 этого контура. Для повышения устойчивости процесса регулирования мощности дуги в блоке сравнения 3 устанавливается зона нечувствительности за этим параметром =3-7%. Из-за этого к установленным относится область режимов, в которых текущее значение мощности дуг Р_д будет находится в границах Р_д=Р_дз± Р что, безусловно, ухудшает статическую точность регулирования мощности дуги этим контуром. Наличие люфтов, упругостей в элементах кинематической схемы механизма перемещения электрода, а также значительная инерционность привода перемещения электрода оказывают отрицательное влияние на быстродействие процесса отрабатывания возмущений по мощности дуги. Возможности традиционных (классических) подходов улучшения динамики и статики этого контура практически исчерпаны.

Для сведения к минимуму влияния указанных выше факторов на быстродействие и точность процесса регулирования мощности дуги в структуру предложенного устройства включен дополнительный исключительно электрический быстродействующий контур регулирования мощности дуги, который составляют датчик тока дуги 1, датчик напряжения дуги 2, датчик мощности дуги 6, регулятор режимной координаты 8, задатчик режимной координаты 7, блок регулирования индуктивного сопротивления дросселя 9, дроссель 10 и печной трансформатор 11.

Работа этого контура заключается в плавном и непрерывном изменении значения эквивалентного индуктивного сопротивления дросселя 10, включенного последовательно с обмоткой высокого напряжения печного трансформатора 11, что приводит к соответствующему изменению токов дуг. Сигнал управления, в функции которого выполняется регулирование сопротивления дросселя 10, формируется регулятором режимной координаты 8 и с его выхода поступает на вход блока регулирования индуктивного сопротивления дросселя 9.

Для поддержания мощности дуги на заданном уровне Р_дз при изменении напряжения на дуге U_д в диапазоне, в котором Р_д Р_дз, необходимое значение эквивалентного индуктивного сопротивления дросселя Х_др вычисляется за такой зависимостью:

где U_ф - напряжение вторичной обмотки печного трансформатора;

R, Х - суммарное активное и индуктивное сопротивления элементов силовой цепи фазы печи за исключением сопротивления дросселя 10, которые сведены к параметрам вторичной обмотки печного трансформатора. Изменению индуктивного сопротивления дросселя 10 согласно зависимости (1) соответствует гиперболический закон регулирования тока дуги I_д=Р_дз/U_д. В режимах, в которых мощность дуги Р_д<Р, дроссель 10 зашунтирован (Х_др=0). Оба контура регулирования функционируют одновременно и независимо. При возникновении отклонений длины дуги от заданной, которые приводят к перемещению рабочей точки печи в зону, где Р_д Р_дз, первым благодаря своему высокому быстродействию путем соответствующего регулирования значения индуктивного сопротивления дросселя 10 вступает в работу электрический контур, который восстанавливает значение мощности дуги к уровню заданного значения Р_д=Р_дз, и поддерживает ее значение на этом уровне в процессе отрабатывания электромеханическим контуром возмущения по длине дуги в указанной выше зоне. При выходе рабочей точки печи из этой зоны (Р_д<Р) дроссель полностью шунтируется (Х_др=0) и текущее значение мощности дуги определяется естественной рабочей характеристикой электропечи Р_д=f(U_д) (для Р_д<Р).

При соответствующем выборе координат точки установленного режима на внешней характеристике дуговой электропечи и использовании пропорционально-интегральной структуры регулятора режимной координаты 8, а также благодаря высокому быстродействию процесса регулирования эквивалентного индуктивного сопротивления дросселя 10 в предлагаемом устройстве достигается возможность реализовать процесс регулирования мощности дуг в процессе плавки со значительно меньшей динамической и статической погрешностями регулирования, чем в известном устройстве для регулирования мощности дуг трехфазной дуговой электропечи.

На фиг.2 и фиг.3 представлены полученные на цифровой модели системы регулирования координат электрического режима дуговой сталеплавильной печи типа ДСП-6 процессы изменения режимных координат I_дj(t), U_дj(t), P_дj(t) для одной и той же реализации процесса возмущений по длине дуги f_j(t) при функционировании предлагаемого (фиг.2) и известного (прототип) (фиг.3) устройств для регулирования мощности трехфазной дуговой электропечи. Координаты рабочей точки печи, которая отвечает установленному режиму печи, при функционировании обоих устройств выбраны такими, чтобы на исследуемом временном интервале плавки средняя мощность дуг (на фазу) была одинаковой: Р_д=0.988 МВт (для предлагаемого устройства U_д.уст=115.5 В; Р_дз=1.1 МВт, а для известного U_д.уст=135.3 В).

Статистическая обработка представленных на фиг. 2 и фиг. 3 расчетных осциллограмм показала следующие значения дисперсий режимных координат электрического режима предложенного устройства для регулирования мощности трехфазной дуговой электропечи и известного устройства (прототипа), которые сведены в таблице.

Приведенные на фиг.2 и фиг.3 и в таблице 1 результаты исследований подтверждают улучшения динамической и статической точности регулирования мощности дуг трехфазной дуговой электропечи при использовании предложенного устройства в сравнении с известным (прототипом). Анализ полученных осциллограмм и приведенных в таблице 1 значений дисперсий других режимных координат показывает, что при функционировании предложенного устройства в сравнении с известным имеет место уменьшение дисперсии мощности дуг D_Pд более, чем на порядок (в 11.1 раз); дисперсии токов дуг D_Iд в 2.15 раз; дисперсии реактивной мощности D_Q в 1.41 раза, а дисперсии напряжения питающей сети D_Uc в 1.64 раза.