Информационная система контроля электроэнергетических процессов в электропечах на основе нелинейных свойств электрической дуги

УДК 62-501/12

А.В. Лукашепков, А.С. Плакидин

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОПЕЧАХ НА ОСНОВЕ НЕЛИНЕЙНЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДОТИ

Рассматривается схемное моделирование электроэнергетических процессов в электродуговых печах для целей оперативного контроля, приводится методика получения информации о скрытых внутренних параметрах токопроводящей среды на основе нелинейных и динамических свойств электрической дуги, описывается структура информационной системы.

Основной задачей управления электротехнологическим режимом электродуговых печей переменного тока (ЭДП) являются обеспечение необходимого распределения полезной мощности по электродам и недоступным для непосредственного контроля зонам токопроводящей среды печи и поддержание ее на заданных уровнях. В этом случае обеспечивается высокий электрический и тепловой КПД, а также высокие техникоэкономические показатели процесса.

Из-за недостаточного в настоящее время информационного обеспечения ЭДП качество управления электроэнергетическими процессами не всегда обеспечивается на должном уровне. Для достижений целей управления оператором печи используется информация только о действующих значениях рабочих токов и напряжений, получаемая со щитовых приборов. Оператору необходимо одновременно контролировать показания целого ряда приборов, осуществлять оценку текущего состояния и реализовывать управляющие воздействия (перемещение электродов и переключение ступеней питающего трансформатора) в соответствии с полученной информацией. При этом не могут быть даны четкие инструкции, которые указывали бы однозначные решения в зависимости от множества реальных ситуаций. Поэтому технико-экономические показатели процессов в ЭДП имеют значительный разброс и во многом определяются опытом и искусством оператора [1].

Решением существующей проблемы управления ЭДП может служить создание информационной системы, осуществляющей текущий автоматизированный контроль недоступных параметров электроэнергетического режима, позволяющей без вмешательства в технологический процесс, в режиме нормальной эксплуатации, проводить текущую оценку полезной мощности каждого электрода, идентификацию внутренних электроэнергетических параметров зон токопроводящей среды печи, определение величины и распределения мощности по зонам. Реализация данной информационной системы на базе современной ЭВМ позволяет представлять информацию о текущем состоянии ЭДП в удобном для оператора ви-

де или перейти на качественно новый уровень автоматического управления. Однако для создания таких систем необходима разработка методов получения информации о внутренних электроэнергетических параметрах и переменных, не доступных для непосредственного контроля зон токопроводящей среды ЭДП в процессе нормальной работы.

Схемные модели токопроводящей среды. Для решения задач получения оперативной информации о текущем состоянии внутренних электроэнергетических параметров, анализа мощности в не доступных для прямого контроля зонах токопроводящей среды адекватной формой представления моделей электроэнергетических процессов в электропечах является схемная форма. При этом для решения задач контроля и управления электроэнергетическими процессами оказывается естественным и эффективным представление таких процессов в виде схемных моделей (СМ) -схем замещения, эквивалентных схем, образованных соединением простейших двухполюсных элементов - резистивных статических и реактивных динамических, как линейных, так и нелинейных. Отдельные элементы соответствуют определенным зонам токопроводящей среды, а параметры элементов характеризуют свойства зон.

Такие модели отражают текущие эксплуатационные параметры электроэнергетического и технологического режима, имеют ясный физический и энергетический смысл, несут информацию о степени его эффективности и рациональности, дают возможность выбирать стратегию управления объектом с целью обеспечения рационального режима. Построение схемных моделей проводится на основе зонного строения и анализа путей протекания тока в ванне электропечи [2, 3]. Электрические параметры и характеристики элементов схемных моделей отражают свойства подэлектродных зон, они связаны непосредственно с физическими, химическими, технологическими и другими процессами, протекающими в печи, а структура модели отражает взаимодействие между внутренними процессами и переменными, характеризующими его внутреннее состояние.

Схемные модели токопроводящей подэлектродной среды типовых электротехнологических процессов в злектродуговых печах представляют собой сочетание различных соединений сопротивлений расплава Кр, шихты Лш, электрической дуги Яд и индуктивностей электрода Ь3 и дуги Ьл (рис. 1). Сопротивления расплава, шихты и индуктивность цепи электрода являются линейными, а электрическая дуга является нелинейным элементом и тем самым обусловливает нелинейность всей схемной модели подэлектродной токопроводящей среды. Кроме того, дуга обладает динамическими свойствами, которые моделируются индуктивностью дуги. Нелинейность дуги приводит к несинусоидальности токов и напряжений на электродах, к расширению их спектрального состава.

Рис. 1. Схемная модель токопроводящей подэлектродной среды для анализа электроэнергетических процессов в дуговой печи

Линейные и нелинейные элементы среды проявляют свои свойства как в форме периодических функций мгновенных значений тока /,(/) и напряжения мэ(0 на электродах, в соотношении их спектральных составляющих, так и в форме, особенностях и параметрах динамических ВАХ (ДВАХ) цепей электродов, что дает принципиальную возможность идентификации параметров и характеристик зон токопроводящей среды электропечи. На основе измеряемых мгновенных значений периодических несинусоидальных сигналов переменного рабочего тока /,(/) = /Э(*+Т) и напряжения электрода мэ(7) = ыэ(Н-Т) необходимо получить информацию о внутренних параметрах и характеристиках зон токопроводящей среды Яй, Лш, Яр, £э, 1Д и об активных и реактивных мощностях, выделяющихся в этих зонах.

Методика получения информации об электроэнергетических параметрах зон. Внешним проявлением электрических свойств внутренних токопроводящих подэлектродных зон и их характеристик являются периодические сигналы колебаний тока и напряжения электрода как функции времени, их форма и спектральный состав, особенности и параметры динамических ВАХ цепей электродов. Это позволяет использовать сигналы и спектральные составляющие тока и напряжения в качестве источника информации при идентификации нелинейных схемных моделей.

Так, ширина петли гистерезиса по напряжению динамической ВАХ цепи электрода (ДВАХЭ) при фиксированных значениях тока в окрестности начала координат (рис. 2), пока не возник ток дуги, и дуга ещё не го-

рит, несет информацию о величине индуктивности электрода Ьэ. В результате индуктивность электрода может быть рассчитана на основе экспериментально полученной ДВАХЭ:

/

Ж Ж

= дмэ/дг-э ,

где и+, і3 , иэ , /э - сигналы напряжения и тока в начале координат динамической ВАХ при возрастании и убывании тока соответственно.

Рис. 2. Динамические ВАХ зон подэлектродной токопроводящей среды

При работе с экспериментальными данными для уменьшения погрешности вычисления используется ряд значений напряжения при фиксированных п значениях тока в окрестности начала координат и на основе метода наименьших квадратов определяется соответствующая оценка величины индуктивности электрода

ьэ = £

*=1 / *=1

После определения индуктивности в соответствии со схемной моделью (см. рис. 1) при известном сигнале тока электрода /э(г) можно рассчитать падение напряжения на индуктивности при вычитании которого из общего напряжения электрода ыэ(г) получим сигнал напряжения непосредственно на подэлектродной токопроводящей среде ванны и соответст-

венно на последовательном соединении дуга - расплав

«др

которое равно напряжению на сопротивлении шихты.

Пара сигналов: подэлектродное напряжение идр ((), полученное путем исключения напряжения индуктивности, и ток электрода /э(/) - определяют результирующую нелинейную динамическую ВАХ дуги с сопротивлениями расплава и шихты ДВАХ$рш, которая показана на рис. 2. Эта

ДВАХ характеризует подэлектродную среду без индуктивности электрода,

которая была исключена при переходе от напряжения электрода к напряжению на подэлектродной среде. Результирующая нелинейная ДВАХ имеет характерные наклоны на начальном участке до возникновения дуги и на конечном участке после ее зажигания и к2, которые в соответствии со схемной моделью рис. 1 определяют величину сопротивлений расплава /?р и шихты Яш и могут быть использованы для их расчета.

С целью нахождения коэффициентов наклона к] и к2 проводится кусочно-линейная аппроксимация ВАХ участка дуга - расплав (см. рис. 2). Коэффициент наклона начального участка характеристики до возникновения тока дуги определяет сопротивление шихты

Яш = *1>

а коэффициент наклона конечного участка после зажигания дуги равен сопротивлению параллельного соединения шихты и расплава независимо от вида ВАХ дуги и позволяет определить сопротивление расплава

к _5иЛа_ (5,

Р Яш-*2

При известных сопротивлениях расплава и шихты из динамической ВАХ подэлектродной среды может быть выделена непосредственно динамическая ВАХ дуги (см. рис. 2) на основе предварительного определения сигналов тока /д(г) и напряжения мд(0 дуги (ДВАХд). Так, для схемной

модели (см. рис. 1) получим

1Д

мд

Индуктивность, отражающая гистерезис дуги, проявляет себя только при значительных токах электрода после возникновения дуги. В результате ДВАХ дуги с сопротивлениями расплава и шихты на начальном участке в окрестности начала координат однозначна, восходящая и нисходящая ветви сливаются и проходят обе через начало координат, а на конеч-

ном участке проявляется гистерезис дуги. Индуктивность дуги определяется по ширине петли гистерезиса напряжения дуги при фиксированных значениях тока на участках неоднозначности по соотношению, аналогичному (2).

Таким образом, предлагаемые алгоритмы позволяют получить на основе внешних сигналов мгновенных значений тока и напряжения электрода и его динамической нелинейной ВАХ необходимую информацию о внутренних электроэнергетических параметрах, не доступных для непосредственного контроля. Определяется величина сопротивлений внутренних подэлектродных зон, нелинейная вольт-амперная характеристика дуги, сигналы мгновенных значений токов и напряжений в зонах, индуктивность электрода и соответственно активные и реактивные мощности, выделяемые в каждой зоне и в дуге. Штатные средства контроля не позволяют по-

лучить такую информацию о внутренних электроэнергетических параметрах зек токопроводящей среды.

Реализация информационной системы. Информационная система контроля электроэнергетических процессов в трехэлектродных электропечах реализована с помощью пакета ОЕМЕ81832. Контролируемые параметры структурированы по степени углубления в технологический процесс, протекающий в электропечи. Самым верхнем уровнем этой структуры являются параметры, характеризующие печь в целом. Это активная и реактивная мощность, выделяемая в печи.

На следующем по степени детализации уровне располагаются параметры, характеризующие работу каждого электрода. К этим параметрам относятся ступень напряжения трансформатора, высота расположения электрода, активная и реактивная мощность, мгновенное значение тока и напряжения, действующее значение тока и напряжения, активное и реактивное сопротивление электрода.

Следующий по степени детализации уровень образует группа параметров, которые характеризуют состояние дуги, шихты, расплава и индуктивности каждого из электродов. Функциональная структура информационной системы показана на рис. 3.

Рис. 3. Функциональная структура информационной системы

Подсистема ввода информации призвана регистрировать и производить первичную обработку информации о ходе технологического процесса в электропечи. Особенностью данной подсистемы является сравнительно небольшое число регистрируемых параметров. Все остальные параметры определяются путем моделирования технологического процесса и идентификации параметров этой модели.

Подсистема обработки информации предназначена для идентификации параметров схемных моделей и для вычисления параметров, которые недоступны непосредственному измерению. Вычисление производится на основании измеренных мгновенных значений токов и напряжений электродов электропечи. Основной выходной информацией подсистемы идентификации является распределение энергии электрода между шихтой, дугой и расплавом, ВАХ дуги, величина сопротивления шихты и расплава. Подсистема хранения информации обеспечивает хранение измеренных параметров. Подсистема визуализации контролируемых параметров предназначена для выдачи и воспроизведения информации из подсистемы хранения, обработки, а также непосредственно из подсистемы ввода информации.

В подсистеме визуализации весь технологический процесс разбит по иерархическому принципу, иерархия мнемосхем изображена на рис. 4.

vWVtXPV. St-

a-skinw •' w: > хірздм» да Иодоспедо vs*

,J**U

Рис. 4. Мнемосхема электродуговой печи в подсистеме визуализации

Основной является мнемосхема электропечи, на которой отражаются главные интегральные параметры трех электродов: мощность, выделяемая на электроде, и мощность, выделяемая в подэлектродных зонах: дуге, шихте и расплаве. Далее следует мнемосхема, на которой отображаются электроэнергетические параметры одного из трех электродов. Следующими, вниз по иерархии, являются мнемосхемы, отображающие параметры подэлектродных зон, дуги и индуктивности электрода.

С помощью разработанной информационной системы проводились экспериментальная идентификация и контроль электроэнергетических параметров внутренних зон токопроводящей среды целого ряда промышленных электродуговых процессов: при выплавке ферросиликохрома (ФСХ 48) в рудно-термической печи (РТП) типа РКЗ-ЗЗ Челябинского электрометаллур-

гического комбината; при выплавке карбида хрома в РТП типа ОКБ-955Н и при выплавке феррованадия в электропечи ДС-6П1 в АО "Ванадий-Тулачермет" г. Тула. Результаты обработки экспериментов показывают согласованность разработанных методов с существующими, подчеркивают их универсальность для различных типов процессов и справедливость для различного спектрального состава сигналов рабочих токов и напряжений, возможность применения для получения оперативной информации об электро-энергетических процессах в печи в ходе технологического процесса.

Библиографический список

1. Марков Н.А. Эксплуатационный контроль электрических параметров дуговых электропечей / Н.А. Марков, О.В. Баранник. - М.: Энергия, 1973. - 105 с.

2. Лукашенков А. В. Методы идентификации нелинейных схемных моделей электродуговых процессов / А. В. Лукашенков, А.А. Фомичев. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2004 - 228 с.

3. Лукашенков А.В. Идентификация нелинейных динамических моделей электротехнологических объектов при периодических сигналах /

А.В. Лукашенков, А.А. Фомичев. // Управление и информационные технологии (УИТ-2003). Всероссийская научная конференция, 2003. - Т. 1. -СПб., 2003-С. 106-110.

Получено 23.04.08

УДК 621.791.72

В.А. Судник, В.А. Ерофеев (Тула, ТулГУ),

К.-Г. Рихтер, К.-У. Хайнс

ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОННО ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПРОВЕРКОЙ

Разработана математическая модель процесса электронно-лучевой сварки на базе уравнения энергии, в котором граничные условия учитывают плотность мощности электронного луча. Компьютерная программа для численного решения системы уравнений модели позволяет при заданных параметрах электронного луча вычислять распределение температур и размеры сварочной ванны. Расчетные значения глубины проплавления, ширины и высоты выпуклости шва удовлетворительно совпадают с экспериментом при сварке титановых и никелевых сплавов толщиной 7-20 мм.

Состояние вопроса

Первая аналитическая модель, связывающая глубину проплавления с параметрами ЭЛС и теплофизическими свойствами материала, была соз-