Управление асинхронным двигателем привода электродов сталеплавильной печи

ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.313

УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ПРИВОДА ЭЛЕКТРОДОВ

СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ

© 2010 г. Е.А. Попов, В.И. Рожков, Б.Н. Лобов, Д.В. Рожков

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Приводятся результаты внедрения частотно-регулируемого асинхронного двигателя для привода электрода сталеплавильной электродуговой печи. Описывается функционально-структурная схема и закон управления асинхронным электродвигателем.

Ключевые слова: асинхронный двигатель; автономный инвертор напряжения; привод; электрод; электродуговая печь; закон управления.

Resalts of introducing frequency-regulate ansynchronous motor for electrode drive of electro-steel-melt furnace. Function-sructure schema and law of conducting of the ansynchronous motor are decribing.

Keywords: ansynchronous motor; drive; electrode; electro-steel-melt furnace; law of conducting.

В настоящее время для переделки металлолома и варки стали широко используются электродуговые сталеплавильные печи (ЭДСП). Их конструкция за последнее время не претерпела значительных изменений. В особенности это касается электромеханического оборудования, обеспечивающего одну из главных функций управления технологическим процессом в ЭДСП - горение дуги. До сих пор используются электропривода на основе машин постоянного тока (МПТ), дорогие в изготовлении и требующие дорогостоящего обслуживания щеточно-коллекторного узла из-за работы в среде сталеплавильного цеха с его большим количеством абразивно-проводящих частиц. Все это приводит к низкой надежности оборудования. Привод с МПТ имеет хорошие регулировочные характеристики, однако системы управления, построенные на тиристорах, значительно ухудшают качество электроснабжения объекта, так как представляют собой выпрямительную нагрузку.

Более надежными являются электропривода на основе машин переменного тока, в частности, представленные асинхронным двигателем с фазным ротором (АД). Системы управления с АД строятся на релейных схемах с прямым пуском двигателя от сети, с активным сопротивлением в цепи ротора и тахогене-ратором, формирующим сигнал обратной связи. Все эти системы характеризуются низкой точностью позиционирования и малым быстродействием. Малое быстродействие приводит к тому, что печной трансформатор в процессе плавки часто попадает в длительные режимы короткого замыкания, а затем срыва дуги печных электродов, особенно на первоначальном этапе при расплаве шихты. Часто повторяющиеся режимы короткого замыкания очень сильно ухудшают качество электроснабжения не только самого пред-

приятия, но и других объектов данной электрической сети. Низкая точность позиционирования не позволяет держать оптимальной длину дуги, т. е. с необходимой точностью регулировать электрическую мощность, подводимую в ЭДСП, особенно в окислительный и восстановительный периоды. Окислительный период характеризуется стабильностью электрического режима. Длина дуг достигает нескольких сантиметров, что сопровождается увеличением излучения на футеровку стен и свода. Учитывая эти особенности протекания физико-химических процессов, снижают мощность на 20-30 %. В этот период необходимо регулирование подводимой мощности с заданной точностью, причем процесс регулирования не должен сопровождаться колебаниями. В восстановительный период проводят раскисление, десульфурацию и легирование металла. Электрический режим, за исключением моментов наведения шлака, относительно стабилен. Число колебаний силы тока и их амплитуда невелики. Металл покрыт толстым слоем шлака; дуги имеют значительную длину. Открытые дуги создают тяжелые условия работы футеровки, поэтому мощность и напряжение снижают. От регулятора в этот период требуется высокая чувствительность и точность регулирования.

В итоге низкая точность позиционирования и малое быстродействие приводят к увеличению времени плавки и как следствие - к увеличению расхода электроэнергии, к снижению качества выплавленной стали, ее количества и быстрому износу футеровки стен и свода.

Следует отметить, что АД с короткозамкнутым ротором при релейных схемах управления вообще не могут применяться для привода электродов ЭДСП из-за постоянно повторяющихся реверсов.

Если учесть, что работа системы привода электродов малыми по мощности приводами обеспечивает управление большими потоками энергии печного трансформатора, то для улучшения этих показателей ЭДСП необходимо подвергнуть ее модернизации в первую очередь.

Наиболее рациональным вариантом привода электродов является использование АД с частотным управлением (с питанием от автономного инвертора напряжения (АИН)). Такое решение позволяет совместить существующее электромеханическое оборудование и широкие возможности, предлагаемые частотным регулированием - оптимальным образом управлять как перемещением, так и позиционированием электродов в процессе плавки стали. Так как для управления преобразователями частоты используются микропроцессорные системы, то на них можно возложить функции обработки информации о состоянии дуги и команды управления преобразователями частоты с целью перемещении электродов.

Логичным развитием было бы применение в качестве источника питания АД матричного преобразователя частоты вместо схемы на основе АИН. Это позволило бы значительно уменьшить стоимость и габариты преобразователя частоты и реализовать режим рекуперации с отдачей энергии в сеть. Тем более что основной режим работы электропривода разгон -торможение.

Функционально-структурная схема системы, построенной на АД с АИН, приведена на рисунке. Система электропривода была реализована на четырех АИН: три рабочих по одному на фазу и один в горячем резерве. Система переключений сигналов от датчиков тока, датчиков напряжения и задатчиков тока дуги позволяет переключить сигналы от любого электрода печи и двигателя на резервный микроконтроллер и ввести в работу резервный АИН взамен любых работающих.

Сигналы от датчика тока дуги, от задатчика тока дуги и датчика напряжения дуги нормализуются и поступают в микропроцессорную систему управления, где для каждого электрода печи формируется уравнение вида

(кра - к21а + к^; ) -Д г =Д7 ,

где иа - напряжение дуги; 1Л - ток дуги; иг - напряжение задания величины тока дуги; к1, к2, к3 -коэффициенты пропорциональности, устанавливаемые при настройке; Дг - величина допустимой флуктуации тока дуги; Ду - величина сигнала управления.

В процессе горения дуги имеет место некоторая допустимая флуктуация тока дуги электрода, не требующая отработки по перемещению электродов. При отклонении тока дуги от заданной величины в ту или иную сторону система управления отрабатывает возникшее возмущение, стремясь поддерживать величину тока дуги в заданном коридоре.

Система электроснабжения

Функционально-структурная схема системы: ДТ - датчик тока; ДН - датчик напряжения; МК - микроконтроллер; АИН - автономный инвертор напряжения; М - асинхронный двигатель

Знак Д определяет направление движения электрода вверх или вниз, а величина отклонения Ду -

темп разгона частоты напряжения питания АД и его конечную величину. При достижении величины тока дуги заданного значения, при отработке отклонения, происходит динамическое торможение АД. Торможение производится в режиме постоянного тока с ограничением величины тормозного тока АД. Более подробно система управления описана в [1].

Описанная выше система с АИН была реализована на заводе кузнечно-прессового литья ЗАО «Кузлит» (г. Азов Ростовской обл.) для 10-тонной печи. В результате эксплуатации было установлено, что по сравнению с ранее имевшейся релейной системой с АД, система АД с АИН обеспечивает более точное пози-

ционирование электродов и большее быстродействие. В результате время плавки сократилось на 30 %, понизился удельный расход электроэнергии на единицу продукции и значительно улучшилось качество энергоснабжения предприятия.

Литература

1. Рожков В.И., Попов Е.А. Применение частотно-регулируемого асинхронного двигателя в системе управления движением электрода сталеплавильной электродуговой печи // Изв. вузов. Электромеханика. 2005. № 2. С. 78 - 80.

Поступила в редакцию

22 декабря 2009 г.

Попов Евгений Аркадиевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электромеханика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)255-215.

Рожков Виктор Иванович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электромеханика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)255-206.

Лобов Борис Николаевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электромеханика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 9281386092.

Рожков Дмитрий Викторович - аспирант, кафедра «Электромеханика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)224792.

Popov Evgenie Arkadievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electromechanics», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 255-215.

Rozhkov Viktor Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electromechanics», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 255-206.

Lobov Borus Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electromechanics», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 9281386092.

Rozhkov Dmitrie Viktorovich - post-graduate student, department «Electromechanics», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)224792._