Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время получили широкое распространение дуговые сталеплавильные печи постоянного тока (ДСППТ) как основные агрегаты для выплавки качественных металлов. В дуговых печах постоянного тока в качестве управляющих воздействий могут использоваться изменения длины дуги или величины питающего напряжения. Однако, построение мощных регулируемых источников питания ДСППТ связано со значительными материальными затратами, которые для печей малой емкости сопоставимы со стоимостью самой печи. Поэтому в ДСППТ малой емкости в качестве одного из вариантов источника питания используют печной трансформатор с неуправляемым выпрямителем, а управление электрическим режимом осуществлять только изменением длины дуги.
Процесс плавки металла в такой печи сопровождается изменением параметров силовой цепи, которое ведет к увеличению пульсаций силового тока, эксплуатационным коротким замыканиям и обрывам дуги. Это приводит к срабатыванию защиты, увеличению времени плавки и снижению энергетической эффективности установки.
В связи с этим необходимо решать вопросы модернизации и совершенствования систем управления ДСППТ. Эти задачи можно решить созданием математических моделей основных узлов системы и объекта исследований, изучения условий возникновения и существования дуги, синтеза системы управления и ее элементов с низкой чувствительностью к параметрическим возмущениям. Исследование и синтез систем управления дуговыми печами проводили такие отечественные авторы, как Ю. М. Миронов, А. Д. Свенчанский, В. П. Рубцов и др. В первую очередь они рассматривали вопросы, связанные с энергетикой и управлением мощностью, что актуально для печей большой мощности.
Разработкой математических моделей электродуговых печей и отдельных узлов занимались такие ученые как Салтыков В. М., Вахнина В. В., Кожеуров В. Н., Елизаров К. А. и др.
В диссертационной работе рассматривается система управления током дуги для печей небольшой мощности (объемом до 400 кг). В таких печах в большинстве случаев отсутствует плавное регулирование напряжения. Поэтому управление током дуги является единственным каналом воздействия на процесс плавки. Таким образом, создание математических моделей элементов системы и процессов, связанных с существованием дуги, является актуальной задачей.
Одним из возможных путей снижения пульсаций в контуре регулирования является разработка системы управления с низкой чувствительностью к изменениям параметров силовой цепи ДСППТ. Для снижения чувствительности системы управления к изменяющимся параметрам и снижения пульсаций силового тока предложена структура с узлом упреждающей коррекции, разработанной в УлГТУ Боровиковым М. А. Система, построенная таким образом, становится частично инвариантной, что позволяет сохранить высокое быстродействие при изменяющихся параметрах.
Решение задачи построения системы управления током ДСППТ требует создания математической модели объекта управления, синтеза структуры, удовлетворяющей технологическим требованиям, разработки датчиков и их математических моделей, обеспечивающих работу системы управления.
Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности электродуговой печи путем совершенствования системы управления током дуги с элементами упреждающей коррекции.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
Разработка математической модели системы управления током электродуговой печи и отдельных ее элементов: электрогидравлического привода перемещения электрода, электрической дуги постоянного тока, устройства упреждающей коррекции.
Разработка программного комплекса, позволяющего исследовать математическую модель системы управления током электродуговой печи в различных режимах работы в условиях изменяющихся параметров силовой цепи.
3. Разработка технических средств управления током дуги:
датчика скорости перемещения электрода, обладающего высокой чувствительностью к измеряемому сигналу и помехозащищенностью.
алгоритма управления электрогидравлическим приводом перемещения электрода, позволяющего минимизировать зону нечувствительности и уровень пульсаций скорости исполнительного механизма.
алгоритма и схемы подавления колебаний силового тока ДСППТ.
4. Подтверждение адекватности разработанной математической модели
системы управления электродуговой печи и эффективности технических реше
ний, направленных на повышение стабильности режимов работы.
Новизна положений диссертации, выносимых на защиту
Разработана математическая модель системы управления током электродуговой печи, позволяющая исследовать динамические режимы системы управления током электродуговой печи в различных режимах работы в условиях изменяющихся параметров силовой цепи.
На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны математические модели элементов и технические средства управления током дуги:
датчик скорости перемещения электрода, обладающий высокой чувствительностью к измеряемому сигналу и помехозащищенностью.
алгоритм управления электрогидравлическим приводом перемещения электрода, позволяющий минимизировать зону нечувствительности и уровень пульсаций скорости исполнительного механизма.
алгоритм и схема подавления колебаний силового тока ДСППТ.
3. Разработаны структурная и принципиальная схемы САУ электродуго
вой печи, отличающейся пониженной чувствительностью к изменяемым пара
метрам силовой цепи в процессе плавки металла.
Практическая ценность
Использование разработанной модели системы управления током электродуговой печи и результатов моделирования позволяет повысить точность регулирования тока дуги в автоматическом режиме на 12% по сравнению с традиционной системой управления.
Применение разработанного алгоритма и специальной программы управления электрогидроприводом перемещения электрода позволяет повысить плавность движения исполнительного механизма на низких скоростях на 50% по сравнению со штатным алгоритмом управления.
Применение алгоритма подавления колебаний силового тока позволяет снизить колебательность тока дуги и, как следствие, повысить энергетическую эффективность и уменьшить время плавки металла.
Применение упреждающей коррекции позволяет на 40% сократить количество обрывов дуги, повысить точность регулирования, на 40% снизить составляющую «больших» токов (1>2400А).
Реализация результатов работы
Результаты диссертационной работы внедрены:
В составе системы управления ДППТ-0,1 на предприятии ООО «НПК «Специальные технологии литья» (г. Ульяновск).
В виде опытного образца блока управления пропорциональным гидрораспределителем на предприятии ОАО «Гидроаппарат» (г. Ульяновск).
При выполнении проекта по программе «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «Разработка и изготовление макета перспективной системы управления электродуговой печи».
Методы исследования
Теоретические исследования проведены с использованием математического моделирования на ЭВМ, основных положений теории электрических цепей и теории автоматического управления. Анализ динамики САУ электродуговой печи выполнен при помощи натурного эксперимента на реальном объекте и на ЭВМ с применением программного комплекса МВТУ.
Достоверность
Достоверность разработанных научных положений и выводов обеспечивается корректным применением законов электротехники, электро- и гидромеханики, строгими математическими выкладками при решении операторных и дифференциальных уравнений, адекватность разработанной математической модели подтверждается близостью результатов математического моделирования и экспериментов на реальной печи.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих НТК:
1. X Международная научно-техническая конференция «Информационно вычислительные технологии и их приложения», г. Пенза, 2009 г.
XI Международная научно-техническая конференция «Информационно-вычислительные технологии и их приложения», г. Пенза, 2009 г.
XII Международная научно-техническая конференция «Информационно-вычислительные технологии и их приложения», г. Пенза, 2010 г.
VI Международная (XVII Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу «АЭП-2010», г. Тула, 2010 г.
Международная научно-техническая конференция «Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах», г. Севастополь, 2010 г.
Региональная научно-техническая конференция УлГТУ, г. Ульяновск, 2010 г., 2011 г.
Всероссийская выставка научно-технического творчества НТТМ-2009, Москва, 2009 г., 2010 г.
Международный салон инноваций и инвестиций, Москва, 2009 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 16 работ, из них 4 тезисов докладов, 3 патента Российской Федерации, 8 статей в изданиях из перечня ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (99 наименований) и приложений (12 страниц), включает 139 страниц машинописного текста, 89 рисунков и 6 таблиц.
