УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ ДУГОВОЙ ПЕЧИ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к устройствам управления электрическим режимом дуговых сталеплавильных печей.
Известно устройство управления электрическим режимом дуговой печи [Лапшин И.В. Автоматизация дуговых печей. М.: МГУ, 2004, 165 с.], содержащее гидравлический механизм перемещения электрода и регулятор, снабженный первым входом, на который поступает сигнал по току, и вторым входом, на который подается сигнал по напряжению, при этом управление электрической мощностью вводимой в печь осуществляется в функции дифференциального параметра, представляющего собой разность между током и напряжением.
Недостатком данного устройства является зависимость поддерживаемой мощности от изменений напряжения сети, например, при уменьшении напряжения, регулятор воздействует на гидравлический механизм, который поднимает электрод и увеличивает длину дугового промежутка, в результате сила тока снижается, что приведет к еще большему уменьшению мощности, вводимой в печь, и, как следствие, снижению производительности печи.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является устройство управления электрическим режимом дуговой печи [Patent 6104744 United Stated, H05B 7/144. Regulation or control of a fusion process in a three-phase current arc furnace / Thomas Poppe; Albrecht Sieber - Filed: Mar. 17, 1998; Date of Patent Aug. 15, 2000], содержащее гидроцилиндр с сервоклапаном и регулятор импеданса, снабженный первым входом к которому подключен выход блока, вычисляющего фактический импеданс по сигналам с датчиков напряжения и тока, и вторым входом, на который поступает сигнал от блока задания импеданса, при этом электрический режим дуговой печи контролируется регулятором импеданса, который воздействует на гидроцилиндр, осуществляющий перемещение электрода и изменение дугового промежутка, таким образом, что обеспечивается поддержание импеданса на заданном уровне.
Недостаток известного устройства состоит в том, что при увеличении напряжения на первичной стороне печного трансформатора происходит изменение электрического режима дуговой печи, характеризующееся повышением напряжения на дугах и увеличением токов, при этом фактический импеданс, рассчитываемый как отношение напряжения к току, сохраняет свое значение. Увеличение токов свыше номинальных нежелательно, так как ведет к повышенным потерям в электрическом контуре и снижению коэффициента полезного действия печи.
Технический результат заявляемого решения - уменьшение потерь электроэнергии и повышение коэффициента полезного действия печи.
Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве управления электрическим режимом дуговой печи, содержащем гидроцилиндр с сервоклапаном и регулятор импеданса, снабженный первым входом, к которому подключен выход блока, вычисляющего фактический импеданс по сигналам с датчиков напряжения и тока вторичной обмотки печного трансформатора, и вторым входом, на который поступает сигнал от блока задания импеданса, выход регулятора импеданса соединен с сервоклапаном, дополнительно введены блок умножения, блок вычисления коэффициента коррекции импеданса, блок задания опорного напряжения и датчик напряжения, вход которого соединен с первичной обмоткой печного трансформатора, а выход с первым входом блока вычисления коэффициента коррекции импеданса, второй вход которого соединен с выходом блока опорного напряжения, выход блока вычисления коэффициента коррекции импеданса соединен с первым входом блока умножения, выход которого в свою очередь соединен со вторым входом регулятора импеданса, второй вход блока умножения соединен с выходом блока задания импеданса.
Отличительной особенностью предлагаемого решения, в особых ситуациях, связанных с повышением напряжения на первичной обмотке печного трансформатора, является то, что уменьшение потерь электроэнергии и повышение коэффициента полезного действия печи достигается за счет обеспечения такого электрического режима дуговой печи, что токи дуг поддерживаются равными номинальным значениям.
Сущность предлагаемого решения поясняется схемой и диаграммами:
- фиг.1 - схема устройства управления электрическим режимом дуговой печи;
- фиг.2 - работа устройства при неизменном напряжении питающей сети;
- фиг.3 - работа устройства при отклонении напряжения питающей сети.
Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит дуговую сталеплавильную печь с тремя графитовыми электродами 1, 2 и 3, расположенными на расплавом, находящемся в ванне 4. Электроды 1, 2, 3 соединены с питающей трехфазной сетью 6 через печной трансформатор 5. Электроды 1, 2, 3 снабжены гидравлическими устройствами перемещения в вертикальном направлении. Поскольку конструктивное исполнение каждой из трех фаз от печного трансформатора до электродов, а также устройства перемещения электродов выполнены идентичными, в дальнейшем представлено описание устройства для одной фазы. Электрод 1 закреплен на держателе 7, который перемещается гидроцилиндром 8 с помощью сервоклапана 9, на вход которого поступает сигнал от регулятора импеданса 10. Регулятор импеданса 10 снабжен первым входом, на который поступает сигнал с выхода блока вычисления фактического импеданса 11, на первый вход которого поступает сигнал с датчика тока 12, а на второй вход поступает сигнал с датчика напряжения 13, установленного на зажимах вторичной обмотки печного трансформатора 5. На второй вход регулятора импеданса 10 подается сигнал с выхода блока умножения 14, который снабжен первым входом, на который поступает сигнал с выхода блока вычисления коэффициента коррекции импеданса 15, и вторым входом, на который поступает сигнал с выхода блока задания импеданса 16.
Блок вычисления коэффициента коррекции импеданса 15 снабжен первым входом, на который поступает сигнал с датчика напряжения 17, установленного на зажимах первичной обмотки печного трансформатора 5. На второй вход блока вычисления коэффициента коррекции импеданса 15 сигнал подается с выхода блока задания опорного напряжения 18.
зад
зад
Устройство работает следующим образом. При наличии на выходе регулятора импеданса 10 сигнала ошибки он поступает на вход сервоклапана 9, воздействующего на гидроцилиндр 8 под действием которого происходит перемещение электрода 1 в направлении уменьшения рассогласования. Пусть, например, на выходе регулятора импеданса 10 присутствует положительный сигнал ошибки, это означает, что фактический импеданс меньше заданного Z<Z (фиг.2). Под действием этого сигнала сервоклапан 9 увеличит поток рабочей жидкости в гидроцилиндр 8. Под давлением жидкости гидроцилиндр 8 будет перемещаться вверх и через держатель 7 поднимать электрод 1. Подъем электрода 1 вызывает увеличение междугового промежутка и снижение тока дуги, что в свою очередь приводит к росту напряжения на вторичной обмотке печного трансформатора 5. Измеренные датчиками 12, 13 сигналы по току и напряжению поступают в блок вычисления импеданса 11. Фактический импеданс рассчитывается этим блоком как отношение напряжения к току. Снижение тока дуги вызывает уменьшение сигнала на выходе датчика тока 12, а увеличение напряжения на вторичной обмотке печного трансформатора приводит к росту выходного сигнала датчика напряжения 13, в результате чего сигнал на выходе блока 11 также будет увеличиваться. Сигнал ошибки на выходе регулятора импеданса 10 пропорционален разности заданного и фактического импеданса и с ростом последнего будет уменьшаться. При уменьшении рассогласования до нуля (Z=Z), сигнал на входе сервоклапана 9 также становится равным нулю. Гидроцилиндр 8 останавливается, прекращая поднимать электрод 1.
В особых случаях, связанных с отклонениями напряжения питающей сети (фиг.3), управление электрическим режимом печи, заявляемым устройством осуществляется следующим образом. Напряжение питающей сети 6 контролируется датчиком напряжения 17. Сигнал с выхода блока 17 поступает на первый вход блока вычисления коэффициента коррекции 15, на второй вход которого подается сигнал с выхода блока задания опорного напряжения 18. Выходной сигнал блока 15 получается в результате деления сигнала подаваемого на первый вход на величину сигнала, подаваемого на второй вход. Сигнал коэффициента коррекции с выхода блока 15 подается на первый вход блока умножения 14, на второй вход которого поступает сигнал с выхода блока 16 задания импеданса. Выходной сигнал блока 14 подается на второй вход регулятора импеданса 10.
При повышении напряжения питающей сети 6 сигнал с выхода датчика напряжения 17 превышает сигнал опорного напряжения с выхода блока 18, в результате чего сигнал на выходе блока вычисления коэффициента коррекции 15 становится больше единицы. Это приводит к росту сигнала на втором входе регулятора импеданса 10, который формируется как произведение сигнала задания импеданса с выхода блока 16 и сигнала коэффициента коррекции с выхода блока 15. Увеличение сигнала задания на импеданс на втором входе регулятора 10 приводит к появлению ошибки регулирования, под действием которой выходной сигнал регулятора 10 будет увеличиваться. Выход регулятора 10 присоединен к входу сервоклапана 9, поэтому входной сигнал сервоклапана будет расти, и увеличит поток рабочей жидкости в гидроцилиндр 8, который, через держатель 7, поднимет электрод 1. Подъем электрода 1 приведет к увеличению междугового промежутка и снижению тока дуги. Одновременно напряжение на вторичной обмотке печного трансформатора 5 увеличится. Снижение тока дуги вызывает уменьшение сигнала на выходе датчика тока 12, а увеличение напряжения на вторичной обмотке печного трансформатора 5 вызывает увеличение сигнала на выходе датчика напряжения 13. Выходные сигнала датчиков 12, 13 подаются на первый и второй входы блока вычисления импеданса 11, и при указанном изменении этих сигналов выходной сигнал блока 11 будет увеличиваться. Выход блока 11 подается на первый вход блока 10, поэтому с увеличением выходного сигнала блока 11 ошибка регулирования импеданса на входе регулятора 10 будет уменьшаться и при достижении нулевого значения выходной сигнал регулятора 10 будет равен нулю, сервоклапан 9 перекроет доступ жидкости в гидроцилиндр 8, тот остановится и вместе с ним прекратит свое движение электрод 1, заняв некоторое новое положение.
Для понимания сущности предлагаемого авторами технического решения приведем более детальное описание процессов, происходящих при регулировании электрического режима в дуговой печи с использованием известного устройства и предлагаемого.
1
зад
22
23
зад
*
При напряжении на первичной стороне печного трансформатора равном номинальному значению, что в относительных единицах составляет U =1,0, изменение тока дуги под действием возмущающих факторов (обвал шихты, влияние соседних дуг и т.д.) вызывает соответствующее изменение фактического импеданса. Например (фиг.2), если при заданном импедансе Z=Z, ток дуги равен I, и электрический режим характеризуется рабочей точкой В, то с увеличением тока до значение I происходит изменение положения рабочей точки из В в С, в которой фактический импеданс меньше заданного Z<Z. Под действием сигнала ошибки на входе регулятора импеданса происходит изменение положения электрода, таким образом, чтобы рабочая точка вновь вернулась в заданное положение, в точку В.
1
23
22
1
21
22
*
*
В известном решении (в прототипе) при увеличении напряжения на первичной стороне печного трансформатора U >1,0 (фиг.3), происходит смещение рабочей точки из В в D, а ток дуги возрастает до значения I>I, что вызывает дополнительные потери энергии. Уменьшение напряжения на первичной стороне печного трансформатора U <1,0, приводит к смещению рабочей точки из В в F, а ток дуги уменьшается до значения I<I, что приводит к снижению мощности, вводимой в расплав. И в том и в другом случае, происходит отклонение от заданного электрического режима, сопровождающееся снижением коэффициента полезного действия печи. При этом фактический импеданс, рассчитываемый как отношение напряжения к току, сохраняет свое значение. Известное решение не обеспечивает адаптацию электрического режима дуговой печи к внешним случайным изменениям питающего напряжения.
1
*
В предлагаемом решении при увеличении или снижении напряжения на первичной стороне печного трансформатора, производится коррекция задания уставки на импеданс в функции отклонения первичного напряжения от опорного значения таким образом, что ток дуги поддерживается на номинальном уровне. Например, при увеличении напряжения U >1,0 смещение рабочей точки происходит из В в Е, а при снижении напряжения - из В в G за счет действия коррекции задания на импеданс. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает адаптацию электрического режима дуговой печи к внешним случайным изменениям питающего напряжения, т.е. уменьшит потери электроэнергии и повысит коэффициент полезного действия дуговой печи.