Содержание к диссертации
Введение
Глава 1: Анализ состояния на уровня развития технологии, систем электропитания и управления дуговыми печами постоянного тока 8
1.1. Анализ состава оборудования дуговых печей постоянного тока и технологии плавки... 8
1.2. Состояние иуровень развития систем электропитания и управления дуговыми печамишостоянного тока . 14
1.3; Выводы:по первой главе. 36
Глава 2. Разработка моделей регулятора тока дуговойпечипостоянного тока ... 37
2.1. Разработка структуры регулятора тока. 37
2.2. Разработка модели электрической печи постоянного тока; 40
2.3. Синтез регулятора тока... 45
2.4 Методы исследования регулятора тока... 48
2.5. Регулятор тока с параметрической адаптацией 53
Выводыпо второй главе 54
Глава 3: Исследование регулятора тока дуги с учетом пульсаций выпрямленного напряжения ...55
3.1. Разработка модели регулятора тока, учитывающей пульсации выпрямленного напряжения 55
3.2. Выбор метода анализа регулятора тока 60
3.3. Влияние пульсаций напряжения на допустимые параметры короткой сети 63
3.4. Исследование влияния инерционности датчика тока 68
3.5. Исследование влияния квантования по времени 74
3.6. Исследование влияния нелинейной характеристики сглаживающего дросселя 82
Выводы по третьей главе 89
Глава 4 Эксперементальные исследования 91
4.1. Стендовые экспериментальные исследования регулятора тока ДПС 91
4.2. Измерительно-управляющий комплекс ДПС 99
4.3. Концепция построения системы управления ДПС 112
Выводы по четвертой главе 120
Заключение 121
Библиографический список 123
- Состояние иуровень развития систем электропитания и управления дуговыми печамишостоянного тока
- Разработка модели электрической печи постоянного тока;
- Влияние пульсаций напряжения на допустимые параметры короткой сети
- Измерительно-управляющий комплекс ДПС
Введение к работе
В настоящее время все большее распространение получают. дуговые ста печи постоянного тока. В отличие: от традиционных: дуговых.. сталеплавильных печей переменного тока. (ДЄП); печи постоянного тока, (ДШ(Е); обладают рядом технологических преимуществ; однако требуют более сложной: системы электроснабжения и управления.
Дуговая сталеплавильная; печь является мощной электрической нагрузкой. Установленная мощность дуговых печей достигает 100 МВЖ, в связно с чемих питание осуществляется от высоковольтных сетей 6- -220 кВ; В то же время напряжение на дуге невелико и составляет 200-4 ОООВ что приводит к необходимости введения в систему электроснабжения понижающего транс форматора и обуславливает значительные токи, протекающие в электрической дуге и составляющие десятки килоампер.
В настоящее время при синтезе и настройке системы питания • руководствуются в основном упрощенным представлением печи, как объекта управления, а также имеющимися экспериментальными данными, что, как правило, приводит к большим погрешностям при выборе параметров электрооборудования и, соответственно, к удорожанию всего комплекса. Выбор параметров оборудования и управления является многоуровневой- задачей, это связано со сложностью самого объекта - мощной электрической дугой. Напряжение на дуге зависит от тока, длины дуги и характеристик среды, в которой она горит (температуры, состава газа, теплопередачи в среде и разнообразных непрогнозируемых возмущений).
Электрическая дуга, горящая с графитированного электрода на шихту, обладает постоянной времени около десятых долей миллисекунд, быстродействие системы управления — единицы миллисекунд (не менее дискретности силового выпрямителя для печей постоянного тока), быстродействие механизма перемещения электрода - десятки и сотни-миллисекунд. Однако различие исполнительных элементов, обеспечивающих преобразование электрической энергии в тепловую, усложняет, задачу синтеза системы управления дуговой печью постоянного тока.
В. отличие от дуги переменного тока, где оперативное управление осуществляется только перемещением электрода, дуга постоянного тока обладает важной особенностью - наличие двух каналов управления режимом горения дуги, существенно отличающихся по динамическим характеристикам. Быстрый канал - изменения угла управления тиристорами выпрямителя (поддержание тока на заданном уровне) и медленный канал - перемещение электрода для поддержания напряжения на заданном уровне. Ступень напряжения источника питания по существу является настроечным параметром системы управления и поэтому может не рассматриваться как канал оперативного управления током дуги. При создании источника питания стремятся минимизировать запас по мощности, который необходим для обеспечения устойчивости системы, как по надежности, так и по управлению. При проектировании системы питания и управления необходимо обеспечить работу с оптимальными энергетическими характеристиками, обеспечивающими, например, минимум капитальных затрат или текущих расходов.
На основании изложенного разработка системы управления технологическим процессом плавки в дуговой печи постоянного тока и особенно регулятора тока, удовлетворяющего технологическим требованиям является актуальной.
Цель диссертационной работы - разработка системы управления процессом плавки в дуговой печи постоянного тока, обеспечивающей повышение эффективности электрических и технологических режимов плавки, приводящих к снижению стоимости продукции.
Для достижения указанной цели в, работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Анализ особенностей технологического процесса плавки металла в дуговой печи, режимов работы электрооборудования, уровня развития систем управления, конструктивных и компоновочных решений.
2. Разработка моделей электрической дуги и регулятора тока.
3. Синтез регулятора тока дуговой печи постоянного тока.
4. Исследование процессов зажигания дуги с целью выявления влияния параметров электрической дуги и системы электропитания и оптимизации режимов работы печи.
5. Исследование влияния пульсаций выпрямленного напряжения управляемого выпрямителя на режимы работы дуговой печи постоянного тока.
6. Экспериментальное исследование электрических и тепловых режимов процесса плавки в дуговой- печи постоянного тока с целью уточнения моделей системы управления и проверки функционирования предлагаемой системы управления.
7. Разработка методики и аппаратных средств экспериментальных исследований характеристик технологического процесса и работы системы.
8. Разработка алгоритмов управления- тепловым и электрическим режимами печи постоянного тока, обеспечивающей повышение эффективности процесса плавки, приводящее к снижению стоимости продукции.
В первой главе проводится анализ особенностей конструкции и технологического процесса плавки дуговой печи постоянного тока, требований к источнику питания и системам управления процессом плавки.
Во второй главе на основе модели дуговой печи постоянного тока разрабатывается структура регулятора тока, составляется структурная схема, проводится» анализ влияния настроек регулятора, обосновывается целесообразность использования адаптивной системы регулирования.
Третья глава посвящена исследованию влияния пульсаций выпрямленного напряжения источника питания на процесс зажигания дуги. На основе разработанной оригинальной модели регулятора, учитывающей пульсации выпрямленного напряжения, анализируется влияние частоты пульсаций (пульсности выпрямительной схемы), инерционности датчика обратной связи аналогового регулятора тока, квантования по времени цифрового регулятора тока, а так же влияние нелинейности характеристики сглаживающего дросселя.
В четвертой главе излагается методика экспериментального исследования системы питания и управления дуговой печи постоянного тока, проводится экспериментальное определение вида и параметров элементов, входящих в состав регулятора тока. Приводятся результаты исследования работы системы на промышленной печи постоянного тока типа ДПС-12 и рекомендации по построению системы управления на базе двухуровневой иерархической системы, включающей в себя промышленный компьютер и программируемые универсальные контроллеры.
Состояние иуровень развития систем электропитания и управления дуговыми печамишостоянного тока
Питание ДПС осуществляется от преобразователя, состоящего из выпрямителя (включающего в себя встроенную систему управления и систему водоохлаждения), преобразовательного трансформатора и одного (нескольких) сглаживающих реакторов.
На преобразовательный трансформатор подается трехфазное напряжение 6-3 5кВ через высоковольтный выключатель (входящий в КРУ). Трансформатор имеет переключатель ступеней напряжения (ПСН) с возможностью переключения без нагрузки. Трехфазное пониженное напряжение с трансформатора поступает на преобразователь (выпрямитель), где выпрямляется и через сглаживающие реакторы поступает на печь: «минус» - на верхний электрод, «плюс» - на подовый электрод.
Заслуживает особого внимания система электропитания, позволяющая изменять режим работы источника питания. Такая система снабжается двумя, выпрямительными мостами, позволяющими осуществлять их последовательную или параллельную работу. При последовательном включении мостов на печь подается двойное напряжение1 при одинарном токе моста. Параллельное соединение мостов позволяет уменьшить вдвое напряжение на печи, увеличивая при этом вдвое ток печи. Такое изменение режима работы.преобразователя позволяет осуществить режим работы печи с постоянной мощностью при изменении технологических условий плавки, сопровождающемся изменением напряжения на дуге. Однако, использование такого сложного режима управления преобразователем, постоянного тока не снижает требований к проектированию регулятора тока, характеристика которого в этом случае не должны быть хуже, чем в источнике питания с не переключаемыми выпрямителями.
Система электропитания, дуговых печей переменного, тока не обладает указанными выше возможностями регулирования электрического режима, что можно рассматривать как их недостаток в сравнении с печами постоянного тока. Необходимость гибкого регулирования соотношения тока и напряжения по ходу плавки обусловлена, во-первых, увеличением температуры шихты и постепенным её плавлением, 2с во-вторых, с уменьшением градиента напряжения на дуге с увеличением температуры. Так как целью стадии плавления является скорейшее расплавление всей шихты, то необходимо наиболее полно использовать установленную мощность оборудования. Это достигается поддержанием максимально возможного для текущего расположения шихты напряжения. Необходимо, чтобы дуга горела внутри шихты, т.е. чтобы нижний конец электрода находился ниже среза проплавленной воронки в шихте (верха колодца). Конкретные значения напряжения, соответствующие такому относительному положению конца электрода и; шихты, рассчитываются- предварительно.; В; четвертой! главе данной работы рассмотрен вопрос расчета оптимального заданиящапряженияг . для, текущего состояния процесса; плавления; непосредственно вг течение плавки. Процесс начинается с небольшой длины дуги, в; дальнейшем длина; дуги; растет в соответствии с ростом градиента напряжения на дуги, что: в значительной;степени совпадает с углублением воронки: Таким образом при постоянном задании напряжения движение- электродам вниз постепенно: замедляется;.а;затем:сменяется?движением, вверх;вместе:с;подъемом уровня расплава. В то же: время шихта,, нагреваясь, постепенно оседает и наступает момент,, когда: целесообразно? уменьшать, длину, дуги; для исключения возможности преждевременного, нагрева:футеровки; Именно с этой момента. начинается изменение соотношенияшапряжения іигтокашсторону увеличения; задания5тока; 1С концу плавленияток достигает максимальногогзначения; что целесообразно-также и для .наилучшего- перемешиваниям расплава, а значит выравнивания, температуры по всем;; направлениям:. . Кроме того, технологическая; обработка расплава1, которая идет на- протяжении: всего плавления; но; наиболее: эффективна!; на зеркале металла,, в; процессе: .перемешивания интенсифицируетсяс;увеличением;тока: "./
Как; показывает анализ, существенных отличиш в технологии и стадиях плавки в печах переменного; и постоянного тока; нет.: 0днако, можно отметить более широкие возможности, предоставляемые печамн постоянного тока для? регулирования хода плавки на различных стадия; Ц. частности, дуговая: печь постоянного тока позволяет более гибко изменять напряжение на дуге и ток дуги, при сохранении режима;постоянной мощности..
Проведенный анализ показывает, что, существенных различит в технологии ведения плавки, в печах переменного и постоянного тока нет. В-тоже время наличие- в системе электропитания печами постоянного тока регулятора тока, обладающего- гибкими регулировочными возможностями и высоким быстродействием, позволяя- более оперативно управлять тепловыми процессами;в печщ обеспечивая в конечном итоге улучшение комплексных энергетических показателей работы установки. Как уже отмечалось, основной особенностью системы электропитания дуговых печей постоянного тока в сравнении с печами переменного тока является использование источника питания постоянного тока, обладающего с свойствами источника тока - замкнутой системы регулирования тока, реализуемой на базе управляемого выпрямителя. Использование управляемых выпрямителей со стабилизацией тока не является новой задачей. Достаточно отметить широкое использование управляемых выпрямителей для питания вакуумных дуговых печей (ВДП) переплава [5,10]. Однако источник питания для плавильных печей постоянного тока отличаются от последних рядом особенностей, обусловленных технологическими различиями процессов переплава и плавки.
Прямой перенос принципов построения и самих источников питания для печей переплава на дуговые плавильные печи постоянного тока не возможен. Поэтому разработка источников питания для плавильных печей постоянного тока является самостоятельной задачей, тесно связанной с технологическим режимом работы печи. Отсюда можно сделать вывод, что для плавильных дуговых печей постоянного тока необходимо использовать специально разработанные источники питания, также обладающие свойствами источника тока.
Функциональная схема источника питания постоянного тока для плавильных печей не имеет существенных отличий от источника питания ВДП. Интерес представляет схема источника питания дуговой печи постоянного тока приведенная на рис. 1.4 [2,3]. Особенностью схемы является использование двух выпрямительных групп В1 и В2, допускающих переключение в цепи переменного тока под нагрузкой без перерыва питания с последовательного соединения на параллельное и обратно.
Такая организация источника питания обеспечивает снижение установленной мощности и улучшение энергетических показателей. Управление выпрямителями Bl, В2 и схемой коммутации СК осуществляется системой управления СУ. Система управления обеспечивает стабилизацию тока в каждой группе выпрямителя. Для снижения пульсаций тока последовательно с дуговой нагрузкой включен сглаживающий реактор L. Принцип работы схемы рис. 1.4 поясняет эквивалентная схема, приведенная на рис. 1.5.
Разработка модели электрической печи постоянного тока;
Особенностью дуги, как электрическое нагрузки? выпрямителя, является наличие нелинейной вольтамперной; характеристикиЛУд(/д,0, /д), зависящей от тока дуги /д, теплового состояния дуги (температуры дуги. 0) и её длины:/д. Напряжение дуги ид зависит от тока; длины, дуги и характеристик среды, в которой она горит (температуры, состава газа, теплопередачи в среде и разнообразных непрогнозируемых возмущений). Электрическая дуга обладает малой инерцией.: Её постоянная; временш не превышает десятков микросекунд, поэтому в большинстве случаев электрическую дугу представляют в; виде безынерционного нелинейного элемента системььуправления;
Существующие модели не позволяют исследовать процессы зажигания дуги,. изменения длины дуги, обрывов дуги, коротких замыканий (главным образом в период расплавления), а система регулирования» тока разрабатывается на основе эмпирических зависимостей и экспертных оценок, сформированных на основе опыта работы на существующих печах [30]. Эти методики не позволяют проводить анализ и синтез регулятора в целом ряде режимов, характеризующих работу печи. Кроме того; они не позволяют обоснованно-выбирать максимальные значения напряжения источника питания в зависимости от напряжения на дуге (для данной печи), параметры регулятора (коэффициенты корректирующих звеньев) для получения заданной точности работы, регулятора тока.
Технологический процесс плавки в дуговых печах предполагает необходимость осуществления автоматического зажигания дуги на различных стадиях технологического процесса плавки: первичном включении печи, обрыве дуги, ликвидации технологических коротких замыканий, возникающих при обвале шихты и т.д. Точность и быстродействие системьгуправления дуговой плавильной печью определяют её производительность и энергетическую эффективность.
В печах постоянного тока устойчивость горения дуги обеспечивается источником питания постоянного тока (управляемым.выпрямителем)-с системой стабилизации тока, предающей ему свойства- «источника тока». Это обстоятельство значительно усложняет исследование и проектирование системы электропитания и управления ДПС. Дуговая сталеплавильная1 печь является мощной электрической нагрузкой. Установленная мощность дуговых печей достигает 100 MB А, в связи с чем-их питание осуществляется от высоковольтных сетей 6-К220 кВ. В, то же время1 напряжение на дуге невелико и составляет 200- 1000 В, что приводит к необходимости введения в систему электроснабжения понижающего трансформатора и обуславливает значительные токи, протекающие в электрической дуге и составляющие десятки килоампер. Специальные печные трансформаторы, выполняются со ступенчатым регулированием напряжения на стороне высокого напряжения, обладают низким быстродействием и ограниченными регулировочными характеристиками, что делает их непригодными для обеспечения устойчивости горения дуги. Малая инерционность дуги существенно ужесточает условия её устойчивого горения. Традиционным способом повышения устойчивости горения дуги переменного и постоянного тока является введение в короткую сеть дросселя (реактора), ухудшающего энергетические показатели дуговой печи и увеличивающего стоимость оборудования. Поэтому важной задачей для всех дуговых печей остается минимизация установленной мощности дросселя.
Рассмотрим некоторые особенности горения дуги. В зоне дугового разряда средняя скорость движения заряженных частиц мало отличается от средней скорости теплового движения газа со. Тогда если X — средний свободный пробег частиц, то среднее время между соударениями равно т - Iа. За это время поле Е сообщит частице ускорение еЕ/m, а путь частицы в на правлении поля будет - у т [1].
Если считать, что после соударения частица теряет направленную скорость, то в новом свободном пробеге она вновь пройдет путь / и её средняя скорость в направлении поля будет определяться выражением е Я. Величину 2 (D называют подвижностью заряженных частиц.
Ток дугового разряда пропорционален объемной плотности зарядов р, скорости их перемещения и поперечному сечению дуги:
Объемная плотность заряда равна произведению заряда частицы е на число заряженных частиц N в единице объема (концентрацию частиц): Если обозначить радиус дуги через R, то в соответствии с (1.2)
Концентрация и подвижность заряженных частиц являются функциями температуры, поэтому Вся подводимая к единице длины дуги мощность EI при стационарном режиме расходуется на покрытие потерь теплопроводностью, излучением и конвекцией, которые представляют собой сложные функции температуры и радиуса дуги
Если принять положение, известное как принцип минимума [22], согласно которому при заданном токе и определенных условиях окружающей среды напряжение дуги (или напряженность электрического поля) принимает минимальное из всех возможных значение при то получаем зависимости, связывающие между собой градиент потенциала, ток дуги, её температуру и радиус. Если исключить радиус дуги из (1.5) и (1.6) и определить из (1.7) температуру дуги, то получим связь тока дуги с градиентом потенциала. Таким образом, при отдаче тепла дугой излучением и теплопроводностью градиент потенциала столба должен изменяться обрат но пропорционально току в степени
Следовательно, зависимость напряжения на дуге от её тока должна быть снижающейся, что подтверждается экспериментальными данными [8]. Характеристики дуги, снятые на дуговых печах также имеют область снижения напряжения, однако при дальнейшем увеличении тока дуги напряжение постепенно нарастает, т.е. характеристика имеет минимум.
На основании приведенных выше положений для дуговой печи постоянного тока, работающей в интервале токов от 0,1 до 100 кА [8], модель дуги может быть представлена в виде выражения где ид- напряжение дуги, В; /- ток дуги, A; L — длина межэлектродного промежутка, м; Л = 3130-56500 + 456502 +121503; В = 1.3-в2; а = 0.47 + О.О302; 0- -Яп/ тах; e« - конечная наивысшая за плавку температура нагрева жидкого металла; " m- текущая средняя температура расплавляемой шихты, определяемая как где ? - энергия, израсходованная с начала плавки по счетчику, G масса металлозавалки; ; - средняя удельная теплоемкость металла.
Влияние пульсаций напряжения на допустимые параметры короткой сети
Как уже отмечалось, предлагаемая модель; может быть использована для анализа, синтезарегуляторатока в различных режимах работы дуговой печи. Здесь анализируется влияние; пульсаций выпрямленного напряжения на минимально допустимые параметры, короткой сети; в. частности индуктивности сглаживающего дросселя, при которых обеспечивается устойчивое, зажигание дуги. В. качестве критерия- устойчивого зажигания дуги принималось условие /д 0 в любых динамических режимах работы регулятора, т.е. процесс горения дуги является устойчивым, если значение тока положительно. выпрямленного напряжения вызывают значительные пульсации тока в режиме короткого замыкания и практически мало влияют на форму кривой тока в режиме горения дуги. В свою очередь пульсации тока приводят к ухудшению условий зажигания дуги. По переходным функциям, аналогичным приведенным на рис.3.5, путем варьирования параметров ПИД-регулятора (коэффициенты ки к2, к3) и короткой сети (Т К) определялась область параметров короткой сети, при которых обеспечивается устойчивое зажигание дуги. Кроме того, по переходным функциям, рассчитанным для регулятора тока без учета пульсаций (рис.3.5,а) и с учетом пульсаций (рис.3.5,6) проводился анализ влияния пульсаций выпрямленного напряжения на качество регулирования.
Определение граничных условий устойчивого зажигания дуги (рис.3.6 ) проводилось при неизменных параметрах настройки ПИД-регулятора: кх= 100; к2 = 4,0; къ = 3,0. В процессе исследования варьировалась значение постоянной времени короткой сети Гк = var при неизменном значении постоянной времени управляемого выпрямителя Гп = 0,5 (в реальных величинах это значение постоянной времени преобразователя составляет Гп = 0,01 с). Результаты; исследованияшредставленыш виде зависимостей; Х Як mir/ n=Л.і з)- (рис. 316)- рассчитанных для источника питания при отсутствии пульсаций (кривая: А )5 источника с частотой пульсаций1 600" Рц (кривая;/\,12) и источника питания с частотой 300 ц (кривая;Х6). На основании; анализа услови» зажигания, дуги при различных значени ях задания? тока: и частоты , пульсаций выпрямленного напряжения; были: по строены; сравнительные зависимости необходимого превышения;постоянной-? времени Тк короткотсетшотносителБНОшостоянношвремени Тп выпрямителя-: & =. Тк/Тп ( см:, рис..3.6): Установлено,... что: диапазон: изменения;минимально; допустимой постоянной: времени? короткой сети Тк от задания тока 7 з очень і значите лен и. составляет более 6000: Достаточно отметить, что максимальное значение:7сб,- соответствующее: пульсациям: выпрямленного8 напряжения" при; 6-ти пульсной схеме выпрямления:(частота пульсаций ЗООїїїц), составляет: Г1-, а .минимальное значение:XQ, соответствующее отсутствию пульсаций состав ляет 0;0018. Поэтому зависимости-на рис: 3:6 дляшаглядностшсравненияшо ; строены в/логарифмическом масштабе./ . . В процессе исследования было; выявлено неоднозначное влияние пульсаций выпрямленного; напряжения- на: условия зажигания? дуги:
Оказалось, что: на процесс зажигания дугиюказывает фаза переменного-напряжения; при котороШ происходит увеличение длины. дуги.. Прш положительном: значении переменного напряжения в момент зажигания дуги условия, зажигания улучшаются; что проявляется в снижении минимально-допустимой постоянной . времени короткой сети..Поэтому зависимости на рис. 3.6; рассчитанные-для условий; Зажигания дуги при; учете пульсаций выпрямленного напряжения, следует рассматривать как усредненные. . Как, показывает сравнение приведенных на рис. 3.6 зависимостей, пульсации тока, ухудшают условия; зажигания дуги в связи, с чем требуют увеличения индуктивности сглаживающегот дросселя. Так, например; для.устойчивого зажигания дуги при отсутствии пульсаций выпрямленного напряг жения минимальное превышение постоянной времени короткой сети XQ = 0,0036 при / з = 0,4. При 12-ти пульсном выпрямителе требуемое превышение постоянной времени при таком же задании тока / 3 = 0;4 составляет Х\2 = 0,28, а при 6-ти пульсной схеме и том же задании тока -Х6 = 0,44. Таким образом, при наличии пульсаций выпрямленного напряжения с частотой 600 Гц необходимо увеличивать индуктивность сглаживающего дросселя в почти в 80 раз, а при частоте 300 Гц - в 120 раз в сравнении с допустимой индуктивностью дросселя в регуляторе тока без пульсаций выпрямленногоt напряжения. Приведенные на рис. 3.6 зависимости позволяют более точно определить требуемую индуктивность сглаживающего дросселя. Минимальное значение сглаживающего дросселя, который необходимо вводить для обеспечения устойчивого зажигания дуги, определяется из выражения LA X RKTn - LK, где X - Тк m\JTn - для соответствующей частоты пульсаций выпрямленного напряжения. Полученный результат согласуется с реальными значениями индуктив ности сглаживающего дросселя, используемыми в действующих печах по стоянного тока. Так, например, для печи ДСПТ [24] с параметрами: номи нальное напряжение Щ = 550 В; номинальный ток 1Л = 40 кА; сопротивление короткой сети Rh = 1,37 10"3 Ом, используется сглаживающий дроссель, имеющий индуктивность Ln = 0,08 мГн, что соответствует постоянной времени короткой сети Гк = LAI RK = 0,0058 с и значению Х\2 — Тк m\JTn = 0,58. В эксперименте, результаты которого приведены в [29], значение тока принималось равным 6 кА, что соответствует относительному значению i 3 = 0,15. Управляемый выпрямитель для рассматриваемой печи имел 12-ти пульсную схему. Значение Х\2 для действующей печи равно Х\2Э — 0,58. Расчетное значение Х\2, полученное из диаграммы рис. 3.6, составляет р - 0,42. Таким образом, полученные расчетные зависимости согласуются с реальными значениями используемых на практике сглаживающих дросселей. Исследования "показали также, что на динамическую ошибку регулятора тока Az ma.x (снижение тока при увеличении длины дуги) оказывает существенное влияние настройка регулятора ПИД-регулятора, особенно его диференциальной составляющей. Это обстоятельство позволяет рекомендовать обязательное введение в регулятор-тока ДПС дифференциальной составляющей (традиционно [50] в регулятор тока вводят только пропорциональную и интегральную составляющие закона регулирования). Характерно, что дифференциальная составляющая закона» регулирования оказывает различное влияние на процессы нарастания тока при включении и при отработке возмущающего воздействия (увеличения длины дуги).
Увеличение дифференциальной составляющей приводит к «затягиванию» процесса пуска (см. рис. 3.5), значительно снижает динамическую-ошибку Д/ тах при отработке возмущающего воздействия, т.е. улучшает условия зажигания дуги. Осциллограммы, приведенные на рис. 3.5, иллюстрируют настройку ПИД-регулятора на компромиссный режим; при котором обеспечивается ми-нимальная величина динамической ошибки A/ max и апериодический процесс изменения тока при работе печи с источником питания не имеющим пульсаций выпрямленного напряжения.
Измерительно-управляющий комплекс ДПС
Электрические плавильные печи постоянного тока получают все более широкое применение в промышленности, но остаются малоисследованными агрегатами, режимы работы которых и характеристики нуждаются во всесторонних исследованиях. Одним из основных препятствий на этом пути можно считать сложность системы электропитания, включающей в себя управляемый тиристорный выпрямитель с системой стабилизации тока. Наличие гибкого управляемого источника питания постоянного тока, с одной стороны, существенно расширяет возможности выбора рациональных электрических и тепловых режимов плавки в дуговой печи постоянного тока (ДПС), а, с другой, - усложняет экспериментальные исследования, поскольку приводит к необходимости измерения большого числа разнородных величин [40].
В «НПФ КОМТЕРМ» при участии автора разработан измерительный комплекс с системой управления, позволяющий управлять процессом плавки и проводить экспериментальные исследования электрических и тепловых режимов работы ДПС и определять взаимосвязь между электрическими и тепловыми параметрами для выявления наиболее рациональных режимов проведения плавки. На рис. 4.6 показаны общий вид и функциональная схема измерительно-управляющего комплекса, построенного» по иерархической распределенной системе на базе промышленного компьютера US Robotics и локальных управляющих программируемых контроллеров Siemens.
Промышленный компьютер верхнего уровня решает задачи оперативного- анализа информации, выработки уставок локальным регуляторам, управляющим током, перемещением сводового электрода, блоками управления высоковольтным оборудованием, гидравлическим оборудованием, а также: сбором; и обработкой информации, с последующей записью в; базу данных.
Система сбора информации разделена на блоки измерения напряже ния БНВ и тока БТВ на стороне высокого напряжения,.блоки.измерения;на пряжения БНН итокаБТН на стороне низкого напряжения; функциональный блок: контроля: положений механизмов ФБКМ, а также; блок контроля; гид равлической системы БКГЄ". Информация с блоков;;измерения; поступает на измерительный; контроллер ИК типа UMG517, осуществляющего первичную обработку сигналов тока и напряжения на стороне высокого напряжения. В этом; контроллере вычисляются w передаются» на управляющий программи руемый; контроллер; энергетические-показатели, характеризующие: работу пе чи как; потребителя электроэнергии. Непосредственно на; управляющий кон троллер поступает информация с блоков; измерения тока; БТН, напряжения БВЩ, функционального блока положения механизмов ФБКМС и; блока: кон троля гидравлическошсистемьі.БКГЄ.
Управляющий; контроллер УПрК на основе полученной информации осуществляет вычисление; управляющих воздействий на локальные контроллеры управления током КУТ, напряжением: КУН ; положением электрода КУН и на контроллеры, реализующие вспомогательные функции. Управляющий контроллер- УНрК, образующий; низший уровень иерархической системы связан двусторонним интерфейсом с. промышленным компьютером верхнего уровняиерархии ИрК. Промышленный- компьютер НрК, управляемый СКАДА системой записывает данные, характеризующие работу системы, как получаемые от контроллера, так;и обработанные в базу данных.БД. Для; связи? с оператором; в системе предусмотрен комплекс программно- аппаратных средств КПА, включающий- в-себя дисплей с сенсорным управлением, предоставляющий оператору всю информацию о ходе текущей плавке, предыдущих плавках, и расчетную программу последующей; плавки.
Рассматриваемый комплекс предусматривает возможность выделения двух групп информации из общей базы: первая предназначается для использования оператором во время текущей плавки, вторая - для последующей обработки, анализа и планирования последующих плавок.
Информация оператору выдается либо в виде графиков, либо в табличной форме с динамически изменяемыми значениями по следующим данным: текущее напряжение печи. рекомендуемое напряжение печи. расчетная текущая длина дуги (вычисленная [2 статья Крутянского]) -зависит от напряжения, тока, теплового состояния печи). рекомендуемая длина дуги, которая вычисляется по модели тепловой работы печи [33].
