устройство для регулирования электрического режима дуговой многофазной электропечи

Формула изобретения

Устройство для регулирования электрического режима дуговой многофазной электропечи, содержащее в цепи регулирования каждой фазы датчик напряжения дуги, который своим выходом подсоединен ко входу блока формирования сигнала управления, а выход последнего через усилитель соединен со входом механизма перемещения электрода, регулятор тока дуги, первый вход которого подсоединен к выходу задатчика тока дуги, а второй - к выходу датчика тока дуги, блок регулирования индуктивного сопротивления дросселя, выход которого соединен со входом дросселя, который включен последовательно с обмоткой высокого напряжения печного трансформатора, отличающееся тем, что дополнительно содержит датчик мощности дуги, задатчик мощности дуги, регулятор мощности дуги, первый и второй ключи, компаратор и логический элемент отрицания НЕ, причем первый вход регулятора мощности дуги подсоединен к выходу задатчика мощности дуги, а второй его вход соединен с выходом датчика мощности дуги, входы датчика мощности дуги подсоединены к выходам датчика напряжения дуги и датчика тока дуги, выход регулятора тока дуги через первый ключ, а выход регулятора мощности дуги через второй ключ подсоединены ко входу блока регулирования индуктивного сопротивления дросселя, первый вход компаратора соединен с выходом регулятора тока дуги, а второй подсоединен к выходу регулятора мощности дуги, а выход компаратора соединен с управляющим входом первого ключа и через логический элемент отрицания НЕ с управляющим входом второго ключа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системам автоматического регулирования электрического режима дуговых многофазных электропечей.

Известное устройство для регулирования электрического режима дуговой многофазной электропечи, которое содержит в цепи регулирования каждой фазы датчик напряжения дуги, блок формирования сигнала управления, усилитель и механизм перемещения электрода (Автоматизация процессов электроплавки стали. Ч.1. Фарнасов Г.А. Изд-во "Металлургия", 1972. - 232 с. С.17). Однако при работе этого устройства имеет место низкая динамическая и статическая точность регулирования координат электрического режима.

Из известных устройств ближайшим к предлагаемому является устройство для регулирования электрического режима дуговой многофазной электропечи, которое содержит в цепи регулирования каждой фазы датчик напряжения дуги, который своим выходом подключен ко входу блока формирования сигнала управления, а выход последнего через усилитель соединен со входом механизма перемещения электрода, регулятор тока дуги, первый вход которого подсоединен к выходу задатчика тока дуги, а второй - к выходу датчика тока дуги, блок регулирования индуктивного сопротивления дросселя, выход которого соединен со входом дросселя, включенного последовательно с обмоткой высокого напряжения печного трансформатора (А.С. 1042211 СССР. Регулятор мощности дуговой многофазной електропечи / Б.Д.Денис, О.Ю.Лозинский, Я.С.Паранчук. - Опубл. в Б.И., 1983, №34).

Однако в процессе работы этого устройства имеет место значительное взаимное влияние между фазными каналами регулирования напряжения (длины) дуги каждой фазы, которое обусловлено использованием в нем дифференциального закона формирования сигнала рассогласования U_pac=a U-b I (U, I - усредненные значения напряжения и тока дуги; a, b - постоянные коэффициенты), что при действующих схемах систем питания дуг приводит к ошибочным (ложным) перемещениям электродов в тех фазах, где возмущение за длиной дуги не возникло. В результате этого имеет место неоправданно высокая дисперсия регулирования координат электрического режима (напряжения, тока и мощности дуги), что является причиной продолжительной работы печи в режимах значительного отклонения от рационального, а это, в свою очередь, приводит к ухудшению технико-экономических показателей функционирования дуговой электропечи. Кроме этого, указанное устройство имеет ограниченные функциональные возможности в реализации необходимых электрических режимов, так как в процессе его работы есть возможность реализовать на определенный интервал плавки лишь один тип искусственных внешних характеристик печи - характеристик с участком стабилизации тока дуги, при которых не в полной мере используются функциональные возможности быстродействующего регулирования индуктивного сопротивления дросселя для оптимизации электрических режимов работы электропечи.

В основу изобретения поставлена задача создания такого устройства для регулирования электрического режима дуговой многофазной электропечи, в котором использовался бы инвариантный к режимам в двух других фазах принцип формирования сигнала управления на перемещение электрода данной фазы, который благодаря реализации автономности фазных каналов регулирования электрического режима дал бы возможность значительно уменьшить дисперсию регулируемых координат и как следствие улучшить технико-экономические показатели работы дуговой электропечи. В основу создаваемого устройства поставленна также задача реализации зонного принципа формирования необходимой искусственной внешней характеристики дуговой многофазной электропечи, в результате чего появилась бы возможность точнее адаптировать ее вид (аналитическую зависимость) к требованиям, исходящим из необходимых значений дисперсии токов и мощностей дуг, или к оптимизации режимов дуговой многофазной электропечи за компромиссным вариантом снижения дисперсии токов дуг и мощностей дуг, что, в свою очередь, привело бы к улучшению ряда показателей работы дуговой многофазной электропечи, в частности удовлетворило бы ряд технологических требований к значениям электрических режимных координат и, прежде всего, дало бы возможность достичь более равномерного процесса введения активной мощности в плавильное пространство печи.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для регулирования электрического режима дуговой многофазной электропечи, которое содержит в цепи регулирования каждой фазы датчик напряжения дуги, который своим выходом подсоединен ко входу блока формирования сигнала управления, а выход последнего через усилитель соединен со входом механизма перемещения электрода, регулятор тока дуги, первый вход которого подсоединен к выходу задатчика тока дуги, а второй - к выходу датчика тока дуги, блок регулирования индуктивного сопротивления дросселя, выход которого соединен со входом дросселя, который включен последовательно с обмоткой высокого напряжения печного трансформатора, отличается тем, что дополнительно содержит датчик мощности дуги, задатчик мощности дуги, регулятор мощности дуги, первый и второй ключи, компаратор и логический элемент отрицания НЕ, причем первый вход регулятора мощности дуги подсоединен к выходу задатчика мощности дуги, а второй его вход соединен с выходом датчика мощности дуги, входы датчика мощности дуги подсоединены к выходам датчика напряжения дуги и датчика тока дуги, выход регулятора тока дуги через первый ключ, а выход регулятора мощности дуги через второй ключ подсоединены ко входу блока регулирования индуктивного сопротивления дросселя, первый вход компаратора соединен с выходом регулятора тока дуги, а второй подсоединен к выходу регулятора мощности дуги, а выход компаратора соединен с управляющим входом первого ключа и через логический элемент отрицания НЕ с управляющим входом второго ключа.

Благодаря тому что в предлагаемом устройстве сигнал тока дуги изъят из процесса формирования сигнала управления системы регулирования положения электрода и что формируется этот сигнал согласно закону отклонения напряжения дуги от заданного значения (от уставки напряжения дуги), достигается автономность фазных каналов регулирования положения электродов (напряжений дуг).

Кроме ликвидации эффекта перенесения возмущающего влияния из фазы, где возникло возмущение за напряжением (длиной) дуги, в другие фазы, где в данный момент напряжения (длины) дуг равны заданным, т.е. соответствуют установившемуся режиму, или имеет место возмущение, но с другим знаком отклонения, что однозначно отрицательно влияет на показатели динамики системы стабилизации напряжения (длины) дуги, в предлагаемом устройстве все фазные каналы системы регулирования напряжения дуг (регулирования положения электродов) становятся инвариантными также и к приростам токов дуг, которые вносятся в силовую цепь системы питания дуг работой быстродействующих фазных контуров регулирования токов дуг, управляющими воздействиями которых являются соответствующие приращения индуктивных сопротивлений дросселей. Ликвидация в предлагаемом устройстве действия указанных взаимных вомущающих воздействий как между фазными каналами регулирования длины дуги, так и между системой регулирования положения электродов и быстродействующей системой регулирования токов дуг достигается благодаря формированию сигнала управления в каждой фазе системы регулирования положения электрода лишь по сигналу отклонения U_pac текущего напряжения дуги U от заданного значения U_уст (напряжения уставки) U_pac=U-U_уст. Благодаря этому уменьшается дисперсия координат электрического режима (напряжения, тока и мощности дуги), время работы печи в режимах значительных отклонений от заданного и улучшаются технико-экономические показатели дуговой многофазной электропечи.

Кроме этого, благодаря включению в структуру быстродействующего контура регулирования тока дуги каждой фазы, задатчика мощности дуги, датчика мощности дуги, регулятора мощности дуги, компаратора, логического элемента отрицания НЕ, первого и второго ключей расширяется область устанавливаемых электрических режимов дуговой многофазной электропечи, что достигается путем формирования и реализации необходимых искусственных внешних характеристик дуговой электропечи с участками стабилизации тока и мощности дуги и использования соответствующего алгоритма, переключающего процесс управления с режима стабилизации токов дуг на режим стабилизации мощностей дуг и наоборот. Благодаря этой возможности удается одновременно понизить как дисперсию тока дуги, так и дисперсию мощности дуги, что благодаря реализации более равномерного процесса введения активной мощности в печь приведет к более точному соблюдению директивного графика ведения плавки и как следствие к улучшению качества металла и уменьшению его брака.

На фиг.1 представлена схема устройства для регулирования электрического режима дуговой многофазной электропечи; на фиг.2 представлены естественные и искусственные внешние характеристики электропечи и соответствующие им естественные и искусственные зависимости мощности дуги от напряжения дуги дуговой многофазной электропечи в относительных единицах; на фиг.3 показаны процессы изменения режимных координат, которые получены на цифровой модели предложенного устройства для регулирования электрического режима дуговой многофазной электропечи; на фиг.4 приведены процессы изменения режимных координат, которые получены на цифровой модели известного устройства (прототипа) для регулирования электрического режима дуговой многофазной электропечи. На фиг.3 и фиг.4 изображены временные зависимости следующих режимных координат каждой фазы (j=А, В, С) дуговой сталеплавильной печи типа ДСП-6:

а) f_j(t) - возмущения в дуговом промежутке по длине дуги;

б) U_j(t) - напряжения на дугах;

в) I_j(t) - токи дуг;

г) P_j(t) - мощности дуг.

Устройство для регулирования электрического режима дуговой многофазной электропечи содержит в цепи регулирования каждой фазы датчик напряжения дуги 1, блок формирования сигнала управления 2, усилитель 3, механизм перемещения электрода 4, датчик тока дуги 5, задатчик мощности дуги 6, датчик мощности дуги 7, регулятор мощности дуги 8, задатчик тока дуги 9, регулятор тока дуги 10, компаратор 11, логический элемент отрицания НЕ 12, первый ключ 13, второй ключ 14, блок регулирования индуктивного сопротивления дросселя 15, дроссель 16 и печной трансформатор 17, причем выход датчика напряжения дуги 1 соединен со входом блока формирования сигнала управления 2 и с первым входом датчика мощности дуги 7, выход блока формирования сигнала управления 2 через усилитель 3 подсоединен ко входу механизма перемещения электрода 4, выход датчика тока дуги 5 соединен со вторым входом датчика мощности дуги 7 и вторым входом регулятора тока дуги 10, выход задатчика мощности дуги 6 и выход датчика мощности дуги 7 подсоединены к первому и второму входам регулятора мощности дуги 8 соответственно, а выход последнего через второй ключ 14 соединен со входом блока регулирования индуктивного сопротивления дросселя 15, выход задатчика тока дуги 9 подсоединен к первому входу регулятора тока дуги 10, а его выход через первый ключ 13 соединен со входом блока регулирования индуктивного сопротивления дросселя 15, а его выход подсоединен ко входу дросселя 16, включенного последовательно с обмоткой высокого напряжения печного трансформатора 17, выход регулятора мощности дуги 8 и выход регулятора тока дуги 10 соединены с первым и вторым входами компаратора 11 соответственно, а выход последнего подсоединен к управляющему входу первого ключа 13 и через логический элемент отрицания НЕ 12 к управляющему входу второго ключа 14.

Устройство для регулирования электрического режима дуговой многофазной электропечи работает следующим образом.

В дуговой многофазной электропечи имеет место установившийся режим, если длины дуг во всех фазах электропечи имеют длину, при которой напряжения на дугах принимают значение напряжения уставки U_уст, являющегося задающим воздействием электромеханической системы регулирования положения электродов. Ток I в каждой фазе печи (ток дуги) в этом установившемся симметричном режиме примет значение, которое определяется из уравнения установленной на текущий технологический период плавки внешней характеристики I=F(U) дуговой электропечи.

При возникновении возмущения по длине дуги в определенной фазе текущее напряжение U дуги в этой фазе приобретет значение, которое отличается от значения U_уст, то есть возникшая трехфазная система напряжений на дугах станет несимметричной. Вектору напряжений дуг, определяющему текущий несимметричный режим, будет отвечать вектор токов дуг, который определяется по уравнениям равновесия силовой цепи трехфазной системы питания дуг.

Отработка отклонения напряжения дуги U от заданного U_уст выполняется электромеханической системой регулирования положения электродов. С выхода датчика напряжения дуги 1 сигнал текущего напряжения дуги U подается на вход блока формирования сигнала управления 2, где за выражением U-U_уст вычисляется сигнал рассогласования U_pac=U-U_уст, а в функции его значения и в зависимости от установленного на данный интервал плавки значения зоны нечувствительности за этим сигналом, необходимого коэффициента усиления и максимальных скоростей на подъем или опускание электрода в блоке формирования сигнала управления 2 вычисляется сигнал управления U_к, который с его выхода поступает на вход усилителя 3. В функции выходного сигнала усилителя 3, механизм перемещения электрода 4 реализует процесс перемещения электрода в направлении ликвидации возникшего возмущения за длиной (напряжением) дуг. По истечению переходного процесса установятся длины дуг, соответсвующие значению напряжения уставки U_уст. Процессы указанных перемещений электродов в каждой фазе будут происходить лишь в функции сигнала U_pac=U-U_уст данной фазы и не будут зависеть от значений токов и напряжений дуг других фаз, то есть при работе предлагаемого устройства имеет место автономный процесс регулирования длины дуги в каждом фазном канале стабилизации длины дуги электромеханической (электрогидравлической) системы регулирования положения электродов многофазной печи, то есть инвариантный процесс регулирования длины дуги в одной фазе к возмущениям за длиной дуги в других двух фазах и работы других контуров регулирования режимных координат (токов, мощностей дуг).

Указанная инвариантность при всех других равных условиях приводит к улучшению динамической точности стабилизации напряжений дуг на уровне напряжения уставки U_уст, что, в свою очередь, увеличивает продолжительность работы печи на интервале плавки в зоне рациональных режимов, где технико-экономические показатели функционирования дуговой электропечи принимают значения, близкие к оптимальным. Указанное свойство электромеханической системы регулирования положения электрода кроме улучшения технико-экономических показателей самой дуговой электропечи уменьшает также отрицательное влияние работы печи на технико-экономические показатели электропитающей сети, в частности уменьшает колебания напряжения сети, уменьшает значение потребляемой реактивной мощности, потери электроэнергии как в самой сети, так и в системе питания дуг.

Процессы изменения возмущений в дуговых промежутках и процессы их отработки электромеханическими контурами приводят к случайным несимметричным процессам изменения (колебания) токов дуг. Для получения желаемых процессов изменения токов дуг, которые определяются множеством необходимых интегральных значений режимных координат или значений технико-экономических показателей работы печи на текущий технологический период плавки или на плавку в целом, в предлагаемом устройстве предусмотрена возможность формировать и реализовывать по зонному принципу по ходу плавки соответствующую этим процессам искусственную внешнюю характеристику дуговой многофазной электропечи. Для этого диапазон изменения напряжения дуги делится на три зоны: зону малых, средних и больших значений напряжения дуги. Проведенные исследования по определению интегральных значений технико-экономических показателей ДСП показывают, что максимальные границы таких зон в относительных единицах составляют 0-0.5, 0.3-0.8 и 0.7-1.0 для первой, второй и третьей зоны соответственно.

В зоне малых значений напряжений дуг реализуется режим стабилизации тока дуги на уровне I_ст1 (характеристика 1 фиг.2). Изменение мощности в этой зоне будет происходить согласно прямой 3. В зоне средних значений напряжений дуг реализуется режим стабилизации мощности дуги: ток дуги изменяется по гиперболическому закону (участок кривой 1 в этой зоне), а мощность дуги стабилизируется на уровне Р_ст (горизонтальный участок кривой 3 зависимости мощности дуги в этой зоне). В третьей зоне - зоне больших значений напряжения дуги - зависимости тока и мощности дуги от напряжения дуги, которые формируются в предлагаемом устройстве, совпадают с соответствующими естественными характеристиками (кривые 1 и 5, 3 и 6 попарно совпадают). Таким образом, искусственная внешняя характеристика дуговой электропечи, которая реализуется предлагаемым устройством, состоит из трех участков, которые на фиг.2 обозначены символами 1, а соответствующие ей участки изменения мощности дуги - символами 3.

Внешняя характеристика электропечи, которая может быть реализованной известным устройством (прототипом), состоит лишь из двух участков, которые на фиг.2 обозначены символом 2, а соответствующая ей зависимость мощности дуги подается участками 4 на фиг.2.

Естественная внешняя характеристика дуговой многофазной электропечи и соответствующая ей зависимость мощности дуги на фиг.2 обозначены символами 5 и 6 соответственно.

Внешняя характеристика 1 и соответствующая ей зависимость мощности дуги 3 в предлагаемом устройстве реализуется следующим образом. Если рабочая точка данной фазы электропечи находится в первой зоне (малые значения напряжения дуги), то быстродействующий контур регулирования тока дуги в этой фазе настраивается на режим стабилизации тока дуги: I=I_ст1=const. Для этого регулятор тока дуги 10 в функции входных сигналов, которые поступают с выхода задатчика тока дуги 9 (сигнал задания тока дуги I_зад=I_ст1) и с выхода датчика тока дуги 5 (сигнал текущего значения тока дуги I) формирует на своем выходе сигнал управления, который через открытый первый ключ 13 и блок регулирования индуктивного сопротивления дросселя 15 поступает на вход дросселя 16, вызывая такой закон изменения его индуктивного сопротивления, при котором реализуется процесс стабилизации тока дуги на уровне I=I_ст1. Второй ключ 14 в этих режимах открыт, из-за чего другой сигнал (сигнал с выхода регулятора мощности дуги 8) на вход блока регулирования индуктивного сопротивления дросселя 15 не поступает.

Если рабочая точка фазы электропечи перемещается в зону средних значений напряжения дуги, то быстродействующий контур регулирования тока дуги настраивается на режим стабилизации мощности дуги на уровне Р=Р_ст=const. Для этого первый ключ 13 открывается, а второй ключ 14 закрывается и сигнал управления этого контура формируется на выходе регулятора мощности дуги 8 в функции входных сигналов, которые поступают на его входы с выхода задатчика мощности дуги 6 (сигнал задания мощности дуги Р_зад=Р_ст) и датчика мощности дуги 7 (сигнал, пропорциональный текущей мощности дуги Р). Выходной сигнал регулятора мощности дуги 8 через второй ключ 14 и блок регулирования индуктивного сопротивления дросселя 15 поступает на вход дросселя 16, реализуя закон регулирования его индуктивного сопротивления, при котором мощность дуги этой фазы стабилизируется на равные Р=Р_ст=const.

В зоне больших значений напряжения дуги выходные сигналы регулятора тока дуги 10 и регулятора мощности дуги 8 приобретают нулевые значения, при которых индуктивное сопротивление дросселя 16 становится равным нулю и рабочая точка фазы электропечи в установившихся режимах принадлежит участку 1 искусственной внешней характеристики электропечи, который совпадает с естественной внешней характеристикой 5.

Выходной сигнал компаратора 11 формируется в функции выходных сигналов регулятора тока дуги 10 и регулятора мощности дуги 8. Если исходный сигнал регулятора тока дуги 10 превышает выходной сигнал регулятора мощности дуги 8, то выходной сигнал компаратора 11 приобретает значение, при котором первый ключ 13 переводится в закрытое состояние, а второй ключ 14 - в открытое состояние (устанавливается режим стабилизации тока дуги). Если же сигнал на выходе регулятора мощности дуги 8 превышает сигнал на выходе регулятора тока дуги 10, то первый ключ 13 переводится в разомкнутое состояние, а второй ключ 14 закрывается и быстродействующий контур регулирования тока дуги работает в режиме стабилизации мощности дуги.

Значения тока стабилизации дуги I_ст1 и мощности дуги Р_ст рассчитываются из условия получения желаемых значений технико-экономических показателей работы дуговой электропечи, в частности среднего значения и дисперсии для тока и мощности дуг, которые определяют эффективность функционирования предлагаемого устройства. Оптимальные значения сигналов задания тока I_зад=I_ст1 и мощности Р_зад Р_ст для каждого технологического периода, которые являются задающими влияниями быстродействующего контура регулирования тока дуги, могут быть получены, например, по результатам моделирования режимов дуговой электропечи на цифровой модели системы питания и регулирования электрического режима конкретной дуговой электропечи, составленной в мгновенных координатах за представленной на фиг.1 схемой предлагаемого устройства при действии в ней случайных возмущений по длине дуги, статистические характеристики которых адекватны соответствующим статистическим характеристикам реального процесса возмущений, которые действуют в дуговой электропечи в этих технологических периодах.

На фиг.3 приведены временные зависимости режимных координат f(t), U(t), I(t) и P(t), полученные на цифровой модели системы питания и регулирования электрического режима дуговой сталеплавильной печи ДСП-6, которая соответствует схеме предлагаемого устройства (фиг.1), а на фиг.4 изображены процессы изменения этих же координат, полученных на цифровой модели, которая составлена по схеме известного устройства (прототипа). Представленные на фиг.3 и фиг.4 результаты выполненных на цифровой модели математических экспериментов получены при следующих значениях управляющих воздействий контуров регулирования электромеханической системы регулирования положения электрода и быстродействующей системы регулирования токов дуг:

- для предлагаемого устройства: уставка напряжения дуги электромеханической системы U_уст=99 В; для быстродействующей системы - I_ст1=14,5 кА; Р_ст=1,25 МВт;

- для известного устройства: уставки за напряжением и током электромеханической системы равняются: U_уст=114,5 В; I_уст=12400 А соответственно; для быстродействующего контура I_ст2=13,0 кА.

Исследование работы обоих устройств выполнялось при использовании одной и той же реализации процесса возмущений _j(t) по длине дуги. Результаты обработки полученных процессов изменения режимных координат сведены в таблицу. В этой таблице представлены усредненные значения (математические ожидания) напряжения, тока и мощности дуги и их дисперсии D_U, D_I, D_P, a также дисперсия напряжения питающей сети D_Uм. Анализ полученных на цифровой модели процессов изменения режимных координат U(t), I(t) и P(t) показывает работоспособность предлагаемого устройства для регулирования электрического режима дуговой многофазной электропечи, а значение их интегральных показателей подтверждает достижение положительного эффекта в сравнении с известным устройством: погрешность между уставкой напряжения дуги U_уст и фактическим усредненным значением напряжения дуги в предлагаемом устройстве составляет 0,077В (0,078%), а для известного устройства 3,55 В (3,08%), то есть имеет место улучшение статической точности регулирования длины дуги; дисперсия напряжения дуги, которая характеризует динамическую точность регулирования длины дуги, незначительно улучшается: для предлагаемого устройства она составляет 477,92 В², а для известного устройства - 479,73 В²; дисперсия тока дуги при работе предлагаемого устройства уменьшается на 28,7% (3,454 кА² (известное устройство) и 2,463 кА² (предлагаемое устройство)), дисперсия мощности дуги уменьшается в предлагаемом устройстве на 24,7% (0,0312 МВт² (прототип) и 0,0235 МВт² (предлагаемое устройство)) при одинаковой средней мощности дуг 1,133 МВт. Уменьшается при работе предлагаемого устройства на 19,1% также и дисперсия напряжения сети в точке присоединения дуговой электропечи к сети питания (120,3 В² (прототип) и 97,3 В² (предлагаемое устройство)). Выбором других значений задающих воздействий U_уст, I_ст1 и P_ст предлагаемого устройства можно достичь других средних значений напряжения, тока, мощности дуги и их дисперсий и тем самым эффективно влиять на значение других технико-экономических показателей работы дуговой многофазной электропечи.