Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния развития электродуговых установок и систем управления 10
1.1. Характеристика электрического режима работы дуговой печи 10
1.2. Тенденции развития систем управления и регуляторов мощности 13
1.3. Анализ приводов перемещения электродов 15
Выводы по главе 1 24
2. Разработка модели электрогидравлического привода перемещения электрода дуговой печи 25
2.1 Функциональная схема и известная модель электрогидравлического привода перемещения электрода дуговой печи 25
2.2 Разработка уточненной модели электрогидравлического привода перемещения электрода дуговой печи 33
2.3. Усовершенствование электрогидравлического привода перемещения электрода 41
2.4 Синтез адаптивного электрогидравлического привода перемещения электрода 46
Выводы по главе 2 51
3. Исследование электрогидравлического регулятора мощности дуговой печи 52
3.1. Разработка модели дуговой печи 52
3.2. Синтез системы управления регулятором мощности дуговой печи 60
3.3. Исследование влияния постоянной времени фильтра 68
3.4. Исследование влияния на работу регулятора мощности периодических возмущений 73
Выводы по главе 3 77
4. Реализация системы 78
4.1. Описание экспериментальной установки 78
4.2. Разработка методики экспериментального исследования динамических характеристик механической части механизма перемещения электрода 85
4.3. Результаты экспериментов и их обработка 89
4.4. Разработка методики экспериментального исследования динамических характеристик гидравлического оборудования 95
4.5. Описание методики обработки экспериментальных данных 99
4.6. Реализация системы и разработка алгоритмов управления 101
4.7. Реализация датчика обратной связи по скорости 105
Выводы по главе 4 108
Заключение 109
Список литературы 111
Приложения 120
- Анализ приводов перемещения электродов
- Разработка уточненной модели электрогидравлического привода перемещения электрода дуговой печи
- Исследование влияния на работу регулятора мощности периодических возмущений
- Разработка методики экспериментального исследования динамических характеристик механической части механизма перемещения электрода
Введение к работе
В настоящее время в литейном производстве все большее распространение получают дуговые печи[1], применяемые для расплавления металлов и доводки их химического состава до требуемого. Дуговые печи (ДП) по роду используемого тока подразделяются на печи, работающие на постоянном и переменном токе. В отличие от традиционных дуговых печей переменного тока (ДСП), печи постоянного тока (ДПС) обладают рядом технологических пре-имуществ[2 - 5], однако требуют более сложной системы электроснабжения и управления. Привод перемещения электродов в обоих типах печей традиционно выполняется электромеханическим или гидравлическим. Гидравлический привод перемещения электродов в настоящее время завоевывает все большую популярность и находит применение не только для механизмов ДП средней и большой мощности (ёмкости) (15 МВА (25т), 40 МВА(50 т) 90 МВА(150т)), но и малой мощности (ёмкости) (1,6 МВА (1 т) и ниже) [6 - 10]. Этому способствуют такие его преимущества, как компактность, наименьшее по сравнению с другими видами приводов отношение массы к развиваемой мощности, способность длительно развивать статические усилия, возможность бесступенчатого регулирования скорости, возможность защиты от перегрузок ограничением давления, плавность и бесшумность работы, удобство управления. Созданные в последнее время надежные пропорциональные гидрораспределители позволяют изменять скорость перемещения рабочих органов в широком диапазоне регулирования. Недостатки гидравлического привода обусловлены следующими факторами: утечками рабочей жидкости через уплотнения и зазоры (особенно при высоких значениях давления); нагревом рабочей жидкости, что в ряде случаев требует применения специальных охладительных устройств и средств тепловой защиты и приводит к более низкому КПД, чем у сопоставимых механических передач; необходимостью обеспечения в процессе эксплуатации чистоты рабочей жидкости и защиты от проникновения в неё воздуха; пожароопасностью (при применении горючей рабочей жидкости)[11]. Устраняют или значительно уменьшают влияние вышеперечисленных недостатков рациональным выбором гидравлических схем и конструированием гидроузлов, что подтверждается зарубежными разработками 12 - 15]. Тогда преимущества гидропривода перед обычными механическими передачами становятся столь существенными, что во многих случаях предпочтение отдаётся именно ему [16].
Перспективным можно считать применение гидравлического привода и для перемещения электродов дуговой печи, что позволяет упростить кинематическую схему механизма перемещения электрода и значительно повысить быстродействие.
Несмотря на широкое развитие гидравлических приводов перемещения электродов дуговых печей, наблюдаемое в настоящее время, разнообразие технологических режимов работы ДП и разнообразие применяемого электрооборудования не позволяют сформулировать единые подходы, позволяющие проводить проектирование систем управления ДП на их основе. Отсутствие такой методики требует проведения длительных и дорогостоящих исследований при наладке и настройке систем управления (СУ). В настоящее время в РФ приходится сталкиваться с литейными производствами, в которых используется оборудование с высокой степенью изношенности, однако по причинам финансового характера полная замена ДП на таких производствах невозможна. Это ведет к частичной модернизации оборудования ДП, что, в свою очередь, приводит к еще более неоднозначному решению задачи настройки СУ. При синтезе и настройке СУ регулятором мощности руководствуются в основном упрощенным представлением печи, как объекта управления, что, как правило, приводит к большим погрешностям при выборе параметров оборудования, соответственно, к удорожанию всего комплекса и снижению производительности ДП.
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 системы управления дуговой плавильной печью определяют её производительность и энергетическую эффективность.
Дуговая печь литейного класса, емкостью до 30 тонн, является мощной электрической нагрузкой. Установленная мощность дуговых печей достигает 25-30 МВА, в связи, с чем их питание осуществляется от высоковольтных сетей 6-К30 кВ. В то же время напряжение на дуге невелико и составляет 200-Н 000В, что приводит к необходимости введения в систему электроснабжения понижающего трансформатора и обуславливает значительные токи, протекающие в электрической дуге и составляющие десятки килоампер.
В настоящее время при синтезе и настройке системы управления регулятором перемещения электродов руководствуются в основном упрощенным представлением печи, как объекта управления, что, как правило, приводит к большим погрешностям при выборе параметров оборудования 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, быстродействие механизма перемещения электрода — десятки и сотни миллисекунд. Такое различие исполнительных элементов и их параметров усложняет задачу синтеза системы управления дуговой печью.
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 системы управления дуговой печью с электрогидравлическим регулятором мощности необходимо обеспечить работу с оптимальными энергетическими характеристиками, обеспечивающими минимум расхода электроэнергии на тонну выплавленного металла, что невозможно без точного определения характеристик гидравлического привода.
Электрогидравлический регулятор мощности представляет собой комплексную систему, содержащую в себе электрические, гидравлические и механические компоненты. Он состоит из системы управления, основанной на программируемом логическом контроллере, гидравлической подсистемы, механической части, ответственной за удержание и перемещение электрода, а так же обратных связей по технологическим параметрам.
На основании изложенного задача совершенствования электрогидравлического регулятора мощности дуговой печи является актуальной.
Цель диссертационной работы - разработка усовершенствованного электрогидравлического регулятора мощности и системы управления процессом плавки в дуговой печи, обеспечивающих повышение эффективности электрических и технологических режимов плавки и 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 и механизмов, уровня и тенденций развития систем управления и приводов перемещения электродов, конструктивных и компоновочных решений печей.
Разработка уточненных моделей электрогидравлического привода перемещения электрода и регулятора мощности дуговой печи.
Экспериментальное исследование электрогидравлической и механической систем действующих печей с целью уточнения параметров модели.
Разработка методики и аппаратных средств для экспериментального исследования регуляторов мощности дуговых печей.
Исследование процессов зажигания дуги, с целью выявления влияния параметров регулятора мощности дуговой печи на качество и точность регулирования.
Исследование влияния периодических возмущений для выявления возможных резонансных областей в регуляторе мощности дуговой печи.
Реализация системы и разработка алгоритмов управления режимами печи, обеспечивающих повышение энергетической эффективности процесса плавки, увеличение производительности, обеспечивающие снижение стоимости конечной продукции.
В первой главе проводится анализ тенденций развития дуговых печей, систем управления и приводов перемещения электродов. Рассматриваются особенности технологического процесса плавки дуговой печи.
Во второй главе на основе экспериментальных данных разрабатывается уточненная модель гидравлического привода перемещения электродов дуговой печи. С помощью полученной модели проводятся исследования работы привода в различных режимах, предлагаются и обосновываются методы улучшения характеристик существующего электрогидравлического привода. Показана, целесообразность введения в электрогидравлический привод перемещения, электродов отрицательной обратной связи по скорости, повышающей быстродействие регулятора и расширяющей диапазон регулирования скорости. Предложен и исследован адаптивный регулятор скорости перемещения штока исполнительного гидроцилиндра, обеспечивающий независимость показателей качества переходных процессов при изменении задания скорости
Третья глава посвящена синтезу и исследованию регулятора мощности дуговой печи в режиме зажигания дуги. Определены области допустимых значений параметров регулятора, обеспечивающих его устойчивую работу. Выявлено существенное влияние на устойчивость работы системы во всех режимах максимальной скорости перемещения электрода, которая для литейного класса печей не должна превышать из условий устойчивости работы системы 1,5-2 м/мин. Рассмотрено влияние инерционности датчиков обратной связи на показатели качества системы. Показано, что гармонические возмущения в канале обратной связи в реализуемом диапазоне частот не приводят к возникновению резонансных явлений, поскольку система обладает достаточным внутренним демпфированием.
В четвертой главе разрабатывается методика экспериментального исследования на действующей дуговой печи механической и гидравлической частей регулятора мощности, проводится экспериментальное определение вида и параметров элементов, входящих в его состав. Проводятся экспериментальные исследования разработанного регулятора на действующей дуговой печи. Уточняются алгоритмы управления и приводятся рекомендации по проектированию и наладке регулятора мощности дуговой печи, реализованного в виде современной двухуровневой иерархической системы, включающей в себя промышленный компьютер и программируемый универсальный контроллер.
Результаты диссертационной работы внедрены и использованы в ООО «НПФ КОМТЕРМ», г. Москва при разработке дуговой печи ДПС-12 для литейного завода ООО «ВКМ-Сталь», г. Саранск и модернизации печи ДСП-25 литейного производства ООО «Промтрактор-Промлит», г. Чебоксары, где в результате внедрения получено 5 % сокращение расхода электроэнергии на плавку и 1 0% сокращение длительности плавки.
Анализ приводов перемещения электродов
В отечественной и зарубежной практике применяется несколько типов механизмов перемещения электродов систем регулирования ДП. В зависимости от типа привода их можно разделить на механизмы с электрическим и гидравлическим приводами [6].
В практике эксплуатации дуговых сталеплавильных печей широкое распространение получили исполнительные механизмы, в которых конструкция, несущая электрод, выполнена в виде телескопической стойки (рис.1.2,а-г) или каретки с консольным рукавом электрододержателя (рис. 1.2 е).
При выполнении механизма в виде каретки, несущей консольный рукав электрододержателя, каретка на роликах катится по неподвижной колонне, укрепленной на портале печи. При выполнении механизма в виде телескопической стойки консоль, несущая электрододержатель, крепится к вертикальной колонне, которая перемещается по направляющим роликам в шахте, укрепленной на раме печи. Телескопическая стойка или каретка в большинстве случаев уравновешивается противовесами.
Кинематическая связь двигателя с электрододержателем может выполняться жесткой (рис. 1.2,в, д) с помощью винта и гайки (или рейки и реечной шестерни) или же гибкой (рис.1.2,а, б, е) с помощью тросов и направляющих блоков, а также цепей и направляющих звездочек. В случае применения гидравлического привода связь гидродвигателя с электрододержателем осуществляется посредством гидроцилиндра (рис. 1.2, г). Для электрического привода механизмов обычно применяют двигатели постоянного тока с независимым возбуждением. В последнее время наблюдается тенденция по внедрению асинхронных двигателей для перемещения электродов дуговых печей, регулирование скорости осуществляется с помощью преобразователей частоты. Практика эксплуатации и экспериментальные исследования электромеханических исполнительных механизмов показали, что применяемый в качестве тягового органа стальной трос имеет следующие недостатки [6]: а) соответственно диаметру троса необходимо выбирать диаметр барабана, обычно равный не менее 25 диаметрам троса, что делает привод громоздким, с большим передаточным отношением и большим количеством направляющих блоков; б) трос является слабым местом в эксплуатации, а его замена сложна и тру доемка; в) трос является эластичным звеном, упругость которого отрицательно влияет на точность установки электрода при регулировании заданной длины дуги. Кроме того, в процессе эксплуатации образуются люфты в шпоночном соединении канатного барабан; с выходным валом редуктора. Механизм с канатно-барабанной передачей имеет время запаздывания 300...400 мс. В процессе эксплуатации вследствие увеличения зазоров время запаздывания возрастает до 800... 1000 мс. Высокие значения инерционности и запаздывания обусловлены наличием инерции двигателя, зазоров в передачах, сухого трения в механизмах системы.
Наряду с этим быстродействие системы регулирования ограничено упругостью звеньев исполнительных механизмов, которая при высоких скоростях перемещения электродов приводит к механическим колебаниям, которые передаются регулятору и ухудшают его работу [37].
Применение реечной передачи позволяет значительно увеличить жесткость связи двигателя с электродом и уменьшить суммарные зазоры в передаче. Однако при этом увеличивается вероятность поломки электродов в автоматическом режиме при их упоре в шихту в процессе ручного управления и на нето-копроводящий скрап. Для малых печей перспективным является применение сервоприводов и винтовых домкратов [38], позволяющих создавать ультракомпактные привода перемещения электродов, приближающихся по массогабаритным характеристикам к гидравлически цилиндрам [39]. Сервопривод представляет собой комплектное устройство, содержащее в себе асинхронный двигатель, редуктор и винтовой домкрат, выполненные в едином корпусе. Применение такого рода устройств ограничено малыми удельными усилиями, которые в настоящее время способны развивать существующие модели сервоприводов, а так же сравнительно высокой стоимостью этих устройств.
В рассмотренных исполнительных механизмах с электрическим приводом большая часть инерции и запаздываний системы автоматического регулирования сосредоточена именно в приводе механизма.
Наряду с электрическим приводом применяются механизмы с гидравлическим приводом, как более компактные, простые и дешевые. Целесообразность использования того или иного привода должна быть определена в каждом конкретном случае с учетом условий работы механизма, характера движения исполнительного органа, надежности в эксплуатации, общего веса привода, его стоимости и габаритных размеров. Гидравлические приводы обладают рядом преимуществ по сравнению с электромеханическими. К ним следует отнести возможность бесступенчатого регулирования скорости в широких диапазонах независимо от нагрузки; возможность защиты от перегрузок ограничением рабочего давления; плавность и бесшумность работы; наименьшее по сравнению с другими видами приводов отношение массы к развиваемой мощности; способность длительно развивать статические усилия; эксплуатационную надежность [40].
Разработка уточненной модели электрогидравлического привода перемещения электрода дуговой печи
Модель гидропривода рис. 2.2 описывает работу гидропривода в общем, без учета специфики гидропривода, используемого в регуляторах мощности дуговых печей. В настоящее время регуляторы мощности дуговых печей выполняются по функциональной схеме, отличающейся от универсальной схемы гидропривода и приведенной на рис. 2.1.
Современный электрогидравлический привод перемещения электрода выполняется цифровым согласно функциональной схемы регулятора мощности, приведенной на рис. 2.6.
Электрогидравлический регулятор перемещения электрода дуговой электропечи содержит в себе программируемый логический контроллер (ПЛК) 1, анализирующий входные сигналы (ток, напряжение печи), получаемые с блока измерения и нормализации 2. Данный блок 2 собирает сигналы тока и напряжения с трансформатора тока ТА и трансформатора напряжения TV и приводит их к виду, пригодному для ввода в ПЛК. Кроме того, ПЛК получает из систем более высокого уровня (системы управления плавильным участком, единой системы управления предприятием и т.д.) технологические параметры, а так же задания и уставки регулятора. На основании полученной информации ГОЖ 1 формирует управляющие воздействия на пропорциональный гидрораспределитель 3.
Функциональная схема электрогидравлического регулятора мощности встроенной электроникой, позволяющей управлять распределителем с помощью стандартизированной системы сигналов (4...20 мА или -10...+10 В)[64]. Пропорциональный гидрораспределитель 3 регулирует расход рабочей жидкости (гидравлическое масло, негорючие смеси (например, водогликолевые)), подготавливаемой насосно-аккумуляторной станцией НАС, состоящей из бака 13 с установленной на нем аппаратурой фильтрации и охлаждения рабочей жидкости, насоса 12 с регулируемым расходом рабочей жидкости и гидроаккумулятора 11, в задачу которого входит сглаживание переходных процессов в гидросистеме. Рабочая жидкость перемещается по трубопроводу 4 с установленными дросселирующими элементами, позволяющими в процессе наладки печи настраивать скорости перемещения рабочих органов, к гидравлическому плунжеру 5.1. Гидравлический плунжер 5.1 под воздействием рабочей жидкости перемещается и приводит в движение механически связанные с ним стойку 5.2 и электрод од ержатель 6. Между электродом 7 и ванной печи 9 поддерживается электрическая дуга 8. На стойке 5.2 расположен датчик перемещения электрода, отсчитывающий абсолютное значение перемещения электрода.
Датчик давления 10, установленный на входе гидравлического плунжера 5, служит для защиты электрода от поломки при упоре в непроводящую шихту.
В случае попадания под электрод непроводящей шихты на входе в ГОЖ 1 существенно уменьшается или исчезает совсем сигнал по току, в результате чего формируется команда на опускание электрода 7 путем открытия клапана на слив масла из гидроплунжера 5.1. Электрод 7 упирается в шихту, воспринимая на себя часть усилия, обусловленного массой электрододержателя 6, электрода 7 и короткой сети. Давление масла в гидроплунжере 5.1 при этом падает. Когда значение давления на выходе датчика 10 становится меньше уставки, соответствующей начальной стадии упора, в ГОЖ 1 формируется сигнал упора электрода. При появлении данного сигнала пропорциональный распределитель 3 устанавливается в нулевое положение, перекрывая слив масла из гидроплунжера 5.1. В результате давление масла в гидроплунжере 5.1 не опускается ниже заданного, обеспечивая защиту электрода от опасных сжимающих усилий и, следовательно, от поломок. Данное устройство позволяет сократить удельный расход электродов на 10-15 % [56].
В отличие от действующих устаревших приводов новые приводы используют более высокие давления в гидросистеме (вместо используемого ранее давления 6,ЗМПа используются давления до 30 МПа), в них применяются вычислительные устройства и усовершенствованные гидрораспределители, а производительность насосных установок зачастую регулируется. Очевидно, что введенные усовершенствования привода оказывают существенное влияние на характеристики регулятора мощности. Обеспечить желаемые показатели регулирования можно только путем настройки регулятора на основе уточненной модели, учитывающей имеющиеся в приводе нелинейности и запаздывания.
Учитывая, что модель гидропривода является существенно нелинейной, а параметры элементов практически не поддаются вычислению, в работе для получения уточненной модели был использован метод экспериментальной идентификации модели исполнительного механизма перемещения электрода дуговой печи. Экспериментальное исследование привода проводилось на действующих промышленных печах постоянного и переменного тока по методике, описанной в гл. 4. В процессе эксперимента снимались переходные функции перемещения электродов в режимах подъема и опускания электрода, а также динамические характеристики гидравлического оборудования печи посредством измерения давления в гидроплунжере. По результатам экспериментальных исследований (по гл. 4) была рассчитана передаточная функция гидропривода в виде.
Исследование влияния на работу регулятора мощности периодических возмущений
Для определения влияния параметров системы были проведены исследования на модели рис.3.6 применительно к режиму зажигания дуги. Исследования проводились путем расчета переходных функций тока дуги, напряжения на дуге, перемещения и скорости электрода. Целью исследований являлось определение зоны нечувствительности, настройки ПИД-регулятора и допустимой скорости перемещения электрода, при которой обеспечивается устойчивая работа системы. Исследования проводились при неизменных параметрах печи, а варьировалась ширина зоны нечувствительности, параметры настройки ПИД-регулятора. Кроме того, важным показателем работы регулятора, влияющим на устойчивость зажигания дуги, является максимально допустимая скорость перемещения электрода, которая определялась в процессе исследования.
Как показали исследования, проектная скорость перемещения электрода, составляющая 10 м/мин, является завышенной и не обеспечивает устойчивую работу регулятора. На рис. 3.7 приведены осциллограммы, рассчитанные на модели рис.3.6 для следующих параметров регулятора: ширина зоны нечувствительности 10%, настройки ПИД-регулятора: кп — 1,0; Аги = 0,0; кд = 0,0. Как следует из графиков, система неустойчива, в ней возникают автоколебания, приводящие к периодическому разрыву и зажиганию дуги.
Традиционным решением, применяемым в регуляторах мощности для обеспечения устойчивости их работы, является введение нелинейного звена типа «зоны нечувствительности». В данном исследовании была проведена попытка обеспечить устойчивость регулятора подбором ширины зоны нечувствительности. Как было выявлено, система становится более устойчивой при ширине зоны нечувствительности, составляющей более 60%, однако полноценного зажигания дуги не происходит. На рис. 3.8 приведены осциллограммы, иллюстрирующие работу регулятора с минимально допустимой шириной зоны нечувствительности.
Приведенные осциллограммы действительно иллюстрируют предельный режим, который характеризуется разрывами дуги. Очевидно, что работать с таким грубым регулятором нельзя, поскольку он делает точность работы регулятора неприемлемой.
Как показали исследования, фактором, оказывающим наиболее существенное влияние на устойчивость работы регулятора, можно считать скорость перемещения электрода. Не случайно в промышленных регуляторах мощности дуговых печей максимальную скорость перемещения электрода ограничивают на уровне 2-4 м/мин [10, 70, 71].
Для определения допустимой скорости рассматриваемого регулятора мощности были проведены исследования его работы в режиме зажигания дуги при варьировании максимальной скорости перемещения электрода при ширине зоны нечувствительности 10% и параметрах настройки ПИД-регулятора кц = 1,0; кц = 0,0; кд = 0,0. Было установлено, что система работает устойчиво при ограничении скорости перемещения электрода величиной 1,5 м/мин. Осциллограммы на рис. 3.9 иллюстрируют работу регулятора на указанной скорости, которую можно считать приемлемой.
Далее исследовалось влияние настройки ПИД регулятора на качество переходных процессов. Введение ПИД-регулятора является общепринятым для улучшения качества переходных процессов [72]. Методом последовательных приближений на модели рис. 3.6 изменялись пропорциональная, интегральная и дифференциальная составляющие закона регулирования и анализировались получаемые переходные процессы. Приемлемое качество регулирования было получено при следующих настройках регулятора: &п = 0,3; &и = 0,0; д = 0,0. Осциллограммы, полученные при указанной настройке регулятора, изображены на рис. 3.10. Исходная система имеет завышенный коэффициент передачи, поэтому на нее оказывает благотворное влияние уменьшение коэффициента передачи, однако уменьшение коэффициента передачи ниже кп = 0,3 приводит к значительному уменьшению быстродействия. Исследование показывает, что % интегральная и дифференциальная составляющая не вносят положительной динамики в переходной процесс и их использование не целесообразно, поэтому следует от ПИД-регулятора перейти к П-регулятору. Из анализа осциллограмм на рис. ЗЛО следует, что с введением дополнительного пропорционального регулятора уменьшается амплитуда колебаний при сохранении быстродействия системы. Колебательный характер системы сохраняется, причиной этого является существенная нелинейность полученной модели дуговой печи.
В заключение необходимо отметить, что наблюдаемую в последнее время тенденцию к повышению скорости перемещения электродов нельзя считать определяющей в дуговых печах и слепое следование ей может привести к излишним расходам на гидравлическое и электромеханическое оборудование печей. Для регулирования достаточно сравнительно небольших скоростей перемещения электродов (максимум до 2-3 м/мин), на более высоких скоростях трудно обеспечить необходимое качество регулирования, которое является определяющим при разработке регуляторов мощности дуговых печей.
Высокие скорости перемещения электродов печи оправдывают себя на печах большой емкости (мощности), на которых скорости более 2 м/мин используются лишь в режиме маршевой скорости для уменьшения технологических простоев, связанных с перемещением электродов (например, поднятие электродов перед сливом металла или перед отворотом свода при подвалках). В остальных случаях, особенно на печах литейного класса (до 25-30 т включительно), целесообразно проектировать механизмы перемещения электродов на скорости до 5 м/мин, что позволит значительно (на 150 % и более) сократить капитальные расходы на сооружение печи. В таких печах максимальный ход электрода не превышает 2,5 - 3 метра и при максимальной скорости электрода 5 м/мин время поднятия электрода из нижнего положения не превысит 30 с.
Разработка методики экспериментального исследования динамических характеристик механической части механизма перемещения электрода
Вторым путем может стать применение гидравлических схем с байпасом, в которых пропорциональный распределитель с возможностью гибкого управления выбирается на сравнительно небольшие расходы рабочей жидкости, обеспечивающие скорости перемещения электрода до 5 м/мин, а для обеспечения маршевой скорости параллельно ему включается нерегулируемый гидрораспределитель, обеспечивающий большой расход рабочей жидкости на маршевой скорости. Такая схема позволяет так же экономить на капитальных затратах, т.к. рост стоимости пропорциональных распределителей с переходом с маленьких типоразмеров на большие весьма ощутим и составляет до 200%, а между тем неуправляемые распределители заметно дешевле пропорциональных (в 5 раз и более).
В качестве примера на рис. 3.11 приведен фрагмент схемы гидравлической принципиальной, иллюстрирующий метод использования двух распределителей - рабочего и маршевого. Распределитель РШ - пропорциональный распределитель, работающий с электронным блоком управления КрУ1, распределитель РЗ — двухпозиционный распределитель, который выполняет сразу несколько функций: организация маршевой скорости подъема электрода, передвижение электрода в случае аварии рабочего пропорционального распределителя. чи следует проводить в наиболее характерном режиме, для дуговой печи таким режимом является режим отработки зажигания дуги, а остальные режимы являются его производными. Режим отработки зажигания дуги является наиболее важным, так как на первой стадии плавки при частых эксплуатационных коротких замыканиях именно скорость повторного зажигания дуги определяет производительность системы управления и печи в целом. Из-за сильной колебательности системы еще одним режимом, представляющим интерес можно считать режим отработки периодических возмущений из-за возможности возникновения резонансных областей в переходных процессах.
Как указывалось в работе, дуговая печь работает в различных режимах, для которых требования к регулятору мощности изменяются. Для лучшего удовлетворения этих требований к параметрам регулятора применительно к различным режимам работы дуговой печи целесообразно провести анализ влияния параметров регулятора на качество движения.
Одним из наиболее важных параметров является постоянная времени фильтра в каналах измерения тока и напряжения, поэтому необходимо провести исследование влияния на работу системы этого параметра.
Исследования проводились с использованием пакета прикладных программ Simulink на модели регулятора мощности, схема которой приведена на рис. 3.6, путем расчета переходных функций Ua(t), IA{i) и IJf) для режимов включения печи из режима короткого замыкания, обрыва дуги и режима отработки изменения напряжения на дуге на заданное значение. На рис. 3.12 приведены переходные процессы тока, напряжения, длины дуги при значениях постоянной времени фильтра соответственно 1 с (кривая 1) и 5 с (кривая 2) в режиме зажигания дуги. Режим зажигания дуги является одним из самых характерных для ДП, поэтому результаты приводятся именно для этого режима. На осциллограммах обозначены амплитуда колебаний длины дуги (А), величина перерегулирования (є), запаздывание прохождения сигналов (т3). В ходе исследования были проведены эксперименты при постоянных времени фильтров, лежащих в диапазоне от 0 с до 10 с. Результаты представлены в виде графиков, приведенных на рис. 3.13, рис. 3.14, рис. 3.16, рис. 3.15. Решение о предпочтительном значении постоянной времени фильтра следует решать, исходя из анализа приведенных зависимостей. С ростом постоянной времени фильтра наблюдается снижение амплитуды колебаний в установившимся режиме, сопровождаемый ростом запаздывания и величины перерегулирования в канале, зависимость времени регулирования имеет явно выраженный экстремум.
Следует отметить, что увеличение постоянной времени фильтра в канале обратной связи приводит к увеличению запаздывания и увеличению перерегулирования. Так, например, из осциллограммы на рис. 3.12, а следует, что увеличение постоянной времени фильтра с 1 с до 5 с привело к увеличению перерегулирования с 0,11 до 0,23 м, причем минимальное значение длины дуги в переходном процессе оказалось близким к нулю. Это позволяет сделать вывод о нецелесообразности увеличения постоянной времени фильтра (как отмечают некоторые авторы) с целью снижения перерегулирования.
Исследование влияния постоянной времени фильтра в цепи обратной связи показало, что существует близкое к оптимальному значение постоянной времени фильтра Тф = 1 с (см. рис.3.16), при котором время регулирования является минимальным и составляет Tmin « 7,8 с. В тоже время при Тф = 10 с время регулирования увеличивается в 5 раз и составляет Т« 38 с.
Величина перерегулирования (см. рис. 3.15) оказывает так же существенное значение, так при Тф = 1 с величина перерегулирования составляет /Д7П1П = 0,1м, в то же время для Тф = 10 с эта величина увеличивается в 3 раза и составляет 1А — 0,29м. Следует отметить, что такое перерегулирование превышает номинальную длину дуги, что будет приводить к погружению электрода в расплав и науглероживание металла.
