Устройство регулирования импеданса электродуговой печи

Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к системам автоматического управления гидравлическим приводом перемещения электродов дуговых сталеплавильных печей (ДСП) и установок ковш-печь (УКП) и предназначена для поддержания заданного значения импеданса ДСП и УКП в соответствии с набором уставок, однозначно определяемых профилем плавки для поддержания заданного технологического режима горения дуг.
Известно устройство регулирования импеданса, описанное в системе управления электрическим режимом ARCOS, содержащее матрицу уставок импеданса, таблицу коэффициентов нелинейного регулятора, пропорционально-интегральный регулятор, блок вычисления и фильтрации сигналов обратной связи, блок ограничения, задатчик интенсивности, блок переключения на ручное управление, блоки вычитания, умножения и деления («Оптимизация электрических режимов сверхмощных дуговых сталеплавильных печей», А.А. Николаев, Г.П. Корнилов, А.В. Ануфриев, С.В. Пехтерев, Е.В. Повелица, Сталь, №4, 2014, с.37-47).
Недостатком данного устройства является снижение качества регулирования импеданса вследствие того, что не обеспечивается оптимальная величина результирующего коэффициента контура регулирования импеданса в широком диапазоне рабочих длин дуг.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является устройство регулирования напряжения дуги в составе устройства для управления электрическим режимом работы дуговой сталеплавильной электропечи, содержащее блок измерения управляющего напряжения дуги (соответствует блоку расчета действующего значения импеданса), адаптивный блок автоматического задания режима (соответствует блоку формирования сигнала задания импеданса), блок изменения коэффициента усиления,  блок сравнения, блок силового усилителя (соответствует блоку формирования сигнала задания исполнительного механизма), программный блок управления электрическим режимом (соответствует по функционалу блоку определения текущей ступени печного трансформатора и реактора) (см. заявку на изобретение № 95112317, H05B 7/148).
Недостатком данного устройства является низкое качество регулирования напряжения электрической дуги вследствие того, что в его структуре отсутствуют блоки компенсации усилительных свойств электрического контура, вследствие чего оптимальное значение результирующего коэффициента усиления контура регулирования будет меняться в зависимости от  фактического значения длины дуги. Это приводит к повышению времени работы под током,  удельного расхода электроэнергии, расхода электрода, вследствие чего снижается общая экономическая и энергетическая эффективность эксплуатации сталеплавильного комплекса.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, заключается в повышении эффективности (качества) регулирования импеданса, а также повышении общей энергетической эффективности сталеплавильного комплекса.
Техническим результатом полезной модели является снижение удельного расхода электроэнергии установки, удельного  расхода электродов, а также времени  работы под током.
Техническая проблема решается тем, что устройство регулирования импеданса электродуговой печи, содержащее блок расчета действующего значения импеданса, блок изменения коэффициента усиления, блок определения текущей ступени печного трансформатора и реактора, блок формирования сигнала задания импеданса, выход которого подключен к блоку сравнения, блок формирования сигнала задания исполнительного механизма, согласно изменению, снабжено блоком линеаризации электрического контура, блоком вычисления обратного значения результирующего коэффициента усиления, блоком деления, блоком умножения, блоком фильтрации и блоком линеаризации характеристики сервоклапана, выход которого соединен с входом блока формирования сигнала задания исполнительного механизма, а вход - подключен к выходу блока умножения, причем первый вход последнего подключен к выходу блока вычисления обратного значения результирующего коэффициента усиления, второй вход – соединен с выходом блока изменения коэффициента усиления, третий вход блока умножения подключен к выходу блока деления, а четвертый вход – подключен к выходу блока формирования сигнала задания импеданса, при этом двенадцать выходов блока линеаризации электрического контура подключены к соответствующим двенадцати входам блока изменения коэффициента усиления, тринадцатый вход последнего соединен с выходом блока определения текущей ступени печного трансформатора и реактора, выход блока расчета действующего значения импеданса соединен с входом блока фильтрации, выход которого соединен с блоком линеаризации электрического контура и блоком сравнения, при этом первый вход блока деления соединен с выходом блока сравнения, второй вход – подключен к выходу блока формирования сигнала задания импеданса.
В заявляемом устройстве полностью компенсируются нелинейные свойства как сервоклапана, являющегося частью исполнительного механизма системы управления гидравлическим приводом перемещения электродов, так и электрического контура ДСП при каждом сочетании ступени трансформатора и реактора. В результате чего оптимальное значение результирующего коэффициента усиления контура регулирования будет оставаться постоянным на всем диапазоне рабочих длин дуг. Это будет способствовать сокращению дисперсии тока дуги, что приведет к снижению удельного расхода электроэнергии, времени работы под током, расхода электродов, а также приведет к повышению энергетической и экономической эффективности работы печи.
Сущность полезной модели поясняется на чертежах, где:
на фиг.1 изображена упрощенная схема устройства регулирования импеданса электродуговой печи;
на фиг.2 приведены графики:
а) результирующая регулировочная характеристика гидропривода перемещения электродов ДСП-180;
б) характеристика блока линеаризации характеристики сервоклапана;
на фиг. 3 представлены графики:
ACT
ARC
а) нелинейная зависимость между статическими значениями импеданса электрического контура ДСП Z и длины дуги L;
б) линеаризующая характеристика электрического контура ДСП для одного сочетания ступени печного трансформатора и реактора;
на фиг.4 представлены графики:
2ф
а) график изменения импеданса фазы Z[мОм] УКП при функционировании системы управления гидроприводом перемещения электродов «ARCOS LIGHT»(Siemens VAI);
2ф
б) график изменения импеданса фазы Z[мОм] УКП при функционировании экспериментальной системы управления гидроприводом перемещения электродов, в которой реализованы предлагаемые алгоритмы;
в) график изменения величины коэффициента интенсивности нагрева УКП при функционировании систем «ARCOS LIGHT» и экспериментальной системы управления;
г) результаты замеров температуры жидкой стали в УКП на протяжении плавки при функционировании систем «ARCOS LIGHT» и экспериментальной системы управления.
ТР
Р
ТР
Р
Устройство регулирования содержит (фиг.1): блок расчета действующего значения импеданса 1; блок линеаризации электрического контура 2; блок изменения коэффициента усиления 3; блок определения текущей ступени печного трансформатора N и реактора N 4; блок формирования сигнала задания импеданса 5; блок вычисления обратного значения результирующего коэффициента усиления 6; блок сравнения 7; блок деления 8; блок умножения 9; блок линеаризации характеристики сервоклапана 10; блок формирования сигнала задания исполнительного механизма 11; блок фильтрации 12. Причем двенадцать выходов блока линеаризации электрического контура 2 подключены к соответствующим двенадцати входам блока изменения коэффициента усиления 3, тринадцатый  вход которого соединен с выходом блока определения текущей ступени печного трансформатора N и реактора N4, а выход блока изменения коэффициента усиления 3 подключен ко второму входу блока умножения 9. При этом первый вход блока умножения соединен с выходом блока вычисления обратного значения результирующего коэффициента усиления 6, третий вход – подключен к выходу блока деления 8, а четвертый вход – подключен к выходу блока формирования сигнала задания импеданса 5, а выход блока умножения 9 подключен к входу блока линеаризации характеристики сервоклапана 10, выход которого соединен с входом блока формирования сигнала задания исполнительного механизма 11. Кроме того, выход блока расчета действующего значения импеданса 1 соединен с входом блока фильтрации 12, выход которого подключен к блоку линеаризации электрического контура 2, при этом первый вход блока деления 8 соединен с выходом блока сравнения 7, второй вход блока деления подключен к выходу блока формирования сигнала задания импеданса 5. Первый вход блока сравнения соединен с выходом блока фильтрации 12, а второй вход блока сравнения 7 подключен к выходу блоку формирования сигнала задания импеданса 5.
Заявляемое устройство регулирования импеданса электродуговой печи работает следующим образом.
ACT
В заявляемом устройстве формирования управляющего воздействия системы автоматического управления (САУ) гидроприводом перемещения электродов  среднеквадратичное значение параметра регулирования Xвычисляемое в блоке 1, подается на вход блока фильтрации 12, который представляет собой апериодическое звено с варьируемой постоянной времени, предназначенное для фильтрации частот, вызывающих высокоамплитудные резонансные колебания механической системы электрододержателя, которые приводят к нестабильным режимам горения электрической дуги. На практике, величина постоянной времени апериодического звена блока фильтрации принимается равной 0,15 с и при необходимости может уточняться в соответствии с формой логарифмической амплитудо-частотной (ЛАЧХ) характеристики механической системы электрододержателя. Выходное значение блока 12 поступает на блок 2, содержащего линеаризующие характеристики электрического контура ДСП и УКП. Данные характеристики предварительно рассчитываются на основании имитационной математической модели электрического контура ДСП и УКП, в основе которой лежит дифференциальное уравнение мгновенной проводимости электрической дуги (Корнилов Г.П., Николаев А.А., Храмшин Т.Р., Мурзиков А.А. «Моделирование электротехнических комплексов металлургических предприятий», учеб. пособие, изд-во: «МГТУ им. Г.И.Носова» (Магнитогорск), 2012, с. 237).
ТР
Р
ТР
Р
TR
Р
ТР
Р
На выходе блока 2 формируется величина коэффициента, компенсирующего нелинейные свойства электрического контура для всех возможных вариантов сочетаний N и N одновременно. Очевидно, что в таком случае число выходов данного блока будет равно произведению числа конструктивно предусмотренных ступеней печного трансформатора N и числа ступеней реактора N. В рамках данной заявки рассмотрен частный случай, когда число ступеней трансформатора N=12, а число ступеней реактора N=1. Соответственно, число выходов блока линеаризации будет равно 12. С помощью блока 3 выбирают значение коэффициента, соответствующего текущему сочетанию N и N, которое формируется на выходе блока 4. Таким образом, происходит определение составляющей K2, как результирующего коэффициента усиления адаптивного регулятора.
REF
Составляющая K1 представляет собой текущее значение уставки регулируемого параметра X (импеданса), которое формируется в блоке формирования сигнала задания импеданса 5 в соответствии с профилем плавки и технологическими особенностями выплавки жидкой стали. Составляющая K3 определяется с помощью блока вычисления обратного значения результирующего коэффициента усиления 6, величина которого численно равна произведению коэффицентов масштаба, градиента напряжения дугового столба, а также подстроечного коэффициента, предназначенного для учета влияния некомпенсируемых постоянных времени.
Коэффициенты масштаба учитывают перевод сигналов из одной единицы измерения в другую (например, из [Ом] в [мОм] при расчете импеданса), градиент напряжения дугового столба в большинстве случаев принимается равным 1 В/мм (может быть иным в соответствии с особенностями конкретного производственного объекта), а подстроечный коэффициент определяется экспериментально  в процессе эксплуатации устройства.
С помощью блоков 7 и 8 производится расчет фактического значения ошибки регулирования ∆X в относительных единицах ∆X*, величина которой в дальнейшем с помощью блока 9 умножается на составляющие K1, K2 и K3. Полученный в конечном итоге сигнал поступает на блок линеаризации сервоклапана 10, предназначенный для компенсации изменения его усилительных свойств на всем диапазоне рабочих скоростей. Итоговое значение сигнала задания, которое на практике чаще всего выражается в мВ или мА, поступает на вход блока формирования сигнала задания исполнительного механизма 11, тем самым приводя в движение исполнительный механизм перемещения электрода. Отметим, что все описываемые блоки могут быть реализованы на программируемом контроллере в соответствии с принципами, которые будут описаны далее.
ELREF
EL
ELREF.DB
Для обоснования достижения технического результата на фиг.2а представлена регулировочная характеристика сервоклапана, применяемого в системе управления гидроприводом перемещения электродов ДСП-180. Очевидно, что при различных рабочих диапазонах ошибки регулирования одно и то же приращение сигнала управления V[В] приведет к различному изменению скорости перемещения электрода V[%], что негативно сказывается на динамических показателях качества работы системы. Кроме того, регулировочная характеристика обладает мертвой зоной в диапазоне ∆V=±0,5 В, в пределах которого электрод не реагирует на управляющее воздействие. Наличие мертвой зоны в системе приводит к возникновению значительной статической ошибки регулирования, что приводит к несоблюдению технологических условий горения дуг.
Для компенсации нелинейных свойств сервоклапана в заявляемом устройстве применяется специальная характеристика, представленная на фиг. 2б. Данная характеристика позволяет достигнуть того, что коэффициент усиления звена сервоклапана, как элемента структурной схемы САУ перемещением электродов будет равен единице во всех рабочих диапазонах ошибки регулирования. Кроме того, участок компенсации мертвой зоны позволяет устранить проблему с вышеобозначенной статической ошибкой регулирования.
ACT
ARC
ACT
На фиг.3а приведена зависимость между статическими значениями импеданса фазы электрического контура ДСП Z и длины дуги L. Очевидно, что в диапазоне коротких дуг малое приращение длины дуги приводит к значительно меньшему изменению Z, чем в диапазоне длинных дуг. Именно в этом заключаются нелинейные усилительные свойства электрического контура ДСП и УКП, как компонента САУ перемещением электродов, которые также могут быть компенсированы с помощью линеаризующей характеристики. Для большей наглядности, на фиг. 3б приведена линеаризующая характеристика электрического контура ДСП, соответствующая статической характеристике на фиг.3а. Данная характеристика получена в соответствии со следующим выражением:
P
ARC
ACT. ,
K = δL/ δZ(1)
ARC
ACT.
ARC
P
где δL - величина малого приращения по длине электрической дуги; δZ- величина приращения по импедансу фазы, возникающая вследствие изменения длины дуги на величину δL; K - результирующий коэффициент усиления линеаризующей характеристики.
Таким образом, принципиально новые блоки, такие как блок линеаризации электрического контура 2 и блок линеаризации характеристики сервоклапана 10 могут быть реализованы на программируемом контроллере с помощью характеристик, аналогичных приведенным на фиг.2б и фиг.3б. Также отметим, что блок вычисления обратного значения результирующего коэффициента усиления 6, блок деления 8, блок умножения 9, блок фильтрации 12 выполняют базовые математические операции и являются общеизвестными.
Благодаря тому, что в структуре заявляемого устройства учитываются нелинейные свойства как исполнительного механизма, так и электрического контура ДСП и УКП, удается достигнуть постоянства оптимального значения коэффициента усиления контура регулирования на протяжении всей плавки.
Достигаемый технический результат на практике подтверждают графики, приведенные на фиг.4. Так, на фиг.4а представлен график изменения фактического значения импеданса фазы УКП при использовании алгоритмов регулирования, соответствующих САУ перемещением электродов ARCOS (прототип), а на фиг.4б – при использовании заявляемого устройства регулирования импеданса в составе экспериментальной системы управления, установленной на УКП электросталеплавильного цеха ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (г. Магнитогорск, Россия).
Таким образом, реализация заявляемой полезной модели приводит к значительному снижению дисперсии импеданса и тока дуги, а также к более быстрому процессу нагрева жидкой стали (фиг.4в и фиг.4г), благодаря чему сокращается время работы под током, а также удельный расход электроэнергии и расход дорогостоящих электродов.