РЕГУЛЯТОР РЕЖИМА ДУГОВОЙ ПЕЧИ

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники, в частности к устройствам для управления электрическим режимом дуговых печей постоянного и переменного тока с вертикально перемещающимся электродом.
Известен регулятор электрического режима дуговой печи с перемещающимся электродом, содержащий источник питания печи, датчик обратной связи, блок задания регулируемой величины, механизм перемещения электрода, связывающий выходной вал электродвигателя с электродом, силовой преобразователь, связывающий источник питания двигателя с его обмотками, регулирующее устройство, подключенное выходами ко входам силового преобразователя, и элемент сравнения, соединенный одним своим входом с выходом блока задания, вторым входом - с выходом датчика обратной связи, а выходом - со входом регулирующего устройства (Электрооборудование и автоматика электротермических установок: /Справочник/ Альтгаузен А.П. и др.; Под ред. А.П. Альтгаузена и др. - М.: Энергия, 1978, с.255-258).
Данное устройство содержит коллекторный двигатель постоянного тока, а силовой преобразователь представляет собой управляемый тиристорный реверсивный выпрямитель.
Недостатком данного устройства является сложность, обусловленная использованием тиристорного реверсивного выпрямителя, низкая эксплуатационная надежность, обусловленная использованием контактного (коллекторного) двигателя постоянного тока, а также более низкое быстродействие двигателя постоянного тока в сравнении, например, с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором.
Известен также регулятор электрического режима дуговой печи, содержащий источник питания печи, датчик обратной связи, блок задания регулируемой величины, механизм перемещения электрода, связывающий выходной вал асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором с электродом, силовой преобразователь, выполненный в виде преобразователя частоты, связывающий источник питания двигателя с его обмотками, регулирующее устройство, подключенное выходами ко входам силового преобразователя, и элемент сравнения, соединенный одним своим входом с выходом блока задания, вторым входом - с выходом датчика обратной связи, а выходом - со входом регулирующего устройства (Электротехнический справочник: В 4 т. Т. Использование электрической энергии / Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. (гл. ред. А.И. Попов). - 8-е изд. испр. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2002. с.60-69).
Данное устройство, обеспечивая повышение надежности регулятора режима дуговой печи за счет замены коллекторного двигателя постоянного тока бесконтактным асинхронным с короткозамкнутым ротором, тем не менее имеет высокую стоимость, обусловленную использованием дорогостоящего транзисторного преобразователя частоты, а также низкое быстродействие при реверсе двигателя, обусловленное отсутствием инверторного режима работы преобразователя частоты и необходимостью введения специальных тормозных резисторов, которые необходимо подключать к преобразователю для создания тормозного момента.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в уменьшении габаритов, снижении стоимости. Технический результат заключается в повышении качества регулирования, обусловленного уменьшением колебаний, повышении быстродействия регулятора режима дуговой печи. Технический эффект заключается в удержании электрода в неподвижном состоянии при отсутствии управляющего сигнала. В отличие от других типов электроприводов, привод с шаговым двигателем является дискретной разомкнутой следящей системой, т.е. поддерживает заданное положение электрода.
Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве, содержащем источник питания печи, датчик напряжения на дуговой печи и блок задания напряжения на дуговой печи, подключенные своими выходами к входам элемента сравнения, выход которого через электрический привод связан с механизмом перемещения электрода, привод перемещения электрода содержит блок выделения знака сигнала рассогласования, два преобразователя напряжение-частота, распределитель импульсов управления, усилитель мощности и шаговый двигатель, соединенный своим выходным валом с механизмом перемещения электрода, фазами - с выходами усилителя мощности, подключенного входами к выходам распределителя импульсов, входы направления движения которого соединены с выходами преобразователей напряжение-частота, связанных через блок выделения знака с выходом элемента сравнения.
Кроме того, предлагаемое устройство может включать в себя электромагнитный тормоз, обмотка которого подключена к источнику питания печи через управляющее устройство, а тормозной механизм кинематически связан с выходным валом шагового двигателя.
На чертеже представлена функциональная схема регулятора режима дуговой печи.
Устройство для управления дуговой печью 1 с источником питания 2 состоит из блока задания напряжения на дуговой печи 3, датчика напряжения на дуговой печи 4, элемента сравнения 5, блока выделения знака сигнала рассогласования 6, преобразователей напряжение-частота 7, 8, распределителя импульсов управления 9, усилителя мощности 10, шагового двигателя 11 и механизма 12 перемещения электрода 13.
Шаговый двигатель 11 соединен своим выходным валом с механизмом 12 перемещения электрода 13, фазами шагового двигателя 11 - с выходами усилителя мощности 10, подключенного входами к выходам распределителя импульсов 9, входы направления движения, которого соединены с выходами преобразователей напряжение-частота 7, 8, связанных через блок выделения знака 6 с выходом элемента сравнения 5.
Кроме того, в предлагаемое устройство может быть введен электромагнитный тормоз 14, кинематически связанный с валом шагового двигателя 11 и механизмом перемещения 12, обмотка управления 15 которого связана с источником питания 2 через управляющее устройство 16.
Управление реверсивным распределителем 9 осуществляется от преобразователей напряжение-частота 7 и 8. Преобразователь 7, подключенный к входу П (подъем электрода) распределителя импульсов 9, вырабатывает импульсы управления, обеспечивающие подъем электрода 13, преобразователь 8, подключенный к входу С (спуск электрода), - опускание электрода 13. Система управления, благодаря введению блока выделения знака 6, обеспечивает поступлением импульсов управления шаговым двигателем в каждый момент времени только на один из входов П или С распределителя импульсов 9.
Устройство работает следующим образом.
д
п
д max
п
д max
д, з
В начале работы печи, когда на все аппараты подано напряжение питания, электрод 11 находится в поднятом положении, что соответствует разрыву цепи питания печи, отсутствует электрическая дуга и, следовательно, в печи не протекает ток. Тем не менее при этом на выходе датчика обратной связи 9 (в рассматриваемом примере датчик обратной связи вырабатывает сигнал, пропорциональный напряжению на печи, т.е на дуге U) будет вырабатываться сигнал, равный напряжению печи U, т.е. U=U. Поскольку максимальное значение сигнала обратной связи U, соответствующее отсутствию тока печи и, соответственно, отсутствию электрической дуги, больше напряжения задания U, формируемого блоком задания напряжения на дуговой печи 3, то на выходе элемента сравнения 5 появится сигнал ΔU<0, который, пройдя через блок выделения знака 6, поступит на вход С (спуск электрода) преобразователя напряжение-частота 8. На выходе преобразователя 8 будут вырабатываться импульсы управления, которые поступают на вход С распределителя импульсов 9 и обеспечивают коммутацию фаз шагового двигателя 11 в направлении, соответствующем движению электрода вниз. Напряжение на преобразователь 7 при этом не поступает и импульсы управления на вход П распределителя 9 не подаются. Такое состояние регулятора будет сохраняться до тех пор, пока электрод 13 не коснется шихты, расположенной на подине печи 1.
д
д, з
При соприкосновении электрода 13 с шихтой происходит короткое замыкание и сигнал обратной связи U становится равным нулю, а на выходе элемента сравнения 5 будет вырабатываться сигнал задания U>0, т.е. положительного знака. В результате на выходе блока выделения знака 6 появится сигнал, который поступит на вход П преобразователя 7 и, соответственно, на вход П распределителя импульсов 9, что приведет к изменению порядка коммутации фаз шагового двигателя, т.е. к изменению направления вращения шагового двигателя и подъему электрода 13.
д, з
д
д, з
д
Подъем электрода 13 будет продолжаться до тех пор, пока сигналы задания U и обратной связи U не станут равны, а разность сигналов ΔU=U-U=0. Это приведет к остановке электрода 13 в положении, соответствующем заданному значению напряжения на дуге.
д
Любые изменения режима работы печи будут приводить к изменению сигнала обратной связи U, вызывающему перемещение электрода 13 в требуемом направлении для восстановления нарушенного положения равновесия.
В сравнении с прототипом предлагаемое устройство обеспечивает более точное слежение за напряжением на дуге. Действительно, особенностью привода с шаговым двигателем в сравнении с электрическим приводом «непрерывного движения» (с двигателем постоянного тока или асинхронным) является то, что при сигнале управления ΔU=0, он остается в заторможенном состоянии (его момент сохраняется равным номинальному) и удерживает электрод в требуемом положении даже при неуравновешенном механизме перемещения электрода. Следует отметить, что при использовании для перемещения электрода привода постоянного тока или привода с асинхронным двигателем, при сигнале управления ΔU=0 момент, развиваемый двигателем, становится равным нулю, что при неуравновешенном механизме перемещения электрода приводит к «сползанию» электрода с заданного положения равновесия. Для поддержания заданного положения электрода в регуляторе с двигателем постоянного тока (или асинхронным двигателем) система работает в колебательном режиме. Такой режим работы системы исключается при использовании привода с шаговым двигателем.
Использование привода с шаговым двигателем для перемещения электрода в дуговой печи позволяет упростить кинематическую схему механизма, исключив все «уравновешивающие» приспособления.
В неуравновешенном механизме перемещения электрода возможно самопроизвольное опускание электрода при отсутствие питающего напряжения. Для исключения «так называемого самохода» электрода в регуляторе режима дуговой печи может быть предусмотрен электромеханический тормоз 14, кинематически связанный с валом шагового двигателя и механизмом перемещения электрода. Управляющее устройство 16, включающее или отключающее тормоз 14, подключается к источнику питания 2. При подаче на печь напряжения питания тормоз освобождается и не влияет на работу регулятора. При отсутствии напряжения питания тормоз разблокируется и удерживает электрод от самопроизвольного перемещения.