СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ СОСТОЯНИЕ ПОДЭЛЕКТРОДНЫХ ПРОСТРАНСТВ ВАННЫ ТРЕХФАЗНОЙ ТРЕХЭЛЕКТРОДНОЙ РУДНОТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ С РАСПОЛОЖЕНИЕМ ЭЛЕКТРОДОВ В ЛИНИЮ
METHOD FOR DETERMINING ELECTRIC PARAMETERS WHICH CHARACTERIZE THE STATE OF SUBELECTRODE SPACES OF BATH OF THREE-PHASE THREE-ELECTRODE ORE-THERMAL FURNACE WITH ARRANGEMENT OF ELECTRODES IN A LINE

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано для контроля электрических параметров, характеризующих состояние подэлектродных объемов ванны трехфазной трехэлектродной руднотермической печи с расположением электродов в линию и короткой сетью по схеме «звезда» на электродах.
Известен способ определения электрических параметров ванны руднотермической электрической печи, при котором изменяют межэлектродные напряжения так, что одно из напряжений участка «электрод-подина» остается неизменным, и по изменениям токов электродов вычисляют проводимости межэлектродных пространств [1].
Недостатком известного способа является то, что при его осуществлении, хотя и кратковременно, нарушается нормальный режим работы печи.
Также известны способы для непрерывного контроля электрических параметров ванны, таких как проводимость подэлектродного пространства ванны, сопротивление между электродом и подиной, собственные разностно-потенциальные коэффициенты (РПК) схемы замещения ванны трехфазной руднотермической печи и не нарушающие нормальный режим работы печи. Эти способы предполагают использование измерительных источников с частотой тока, отличной от частоты тока силового источника питания [2, 3, 4, 5].
Наиболее близким к заявляемому способу, который может использоваться для трехэлектродной печи с короткой сетью по схеме «звезда» на электродах и любым расположением электродов (как в линию, так и по диаметру распада), является способ определения электрического параметра, характеризующего состояние подэлектродного пространства трехфазной трехэлектродной руднотермической печи, в качестве которого используется собственный разностно-потенциальный коэффициент (РПК) схемы замещения ванны, при котором последовательно к каждому электроду подключают управляемый источник питания измеряющей частоты, отличной от рабочей частоты источника питания печи, оставляют неизменными амплитуды и фазу ЭДС источника питания измеряющей частоты электрода, для которого определяют собственный РПК ванны, изменяют амплитуды и фазы ЭДС источников измеряющей частоты двух других электродов так, чтобы сумма действующих значений токов измеряющей частоты в них была равна нулю, измеряют ток, активную мощность, выделяющуюся на участке «электрод-подина» на измеряющей частоте этого электрода, и вычисляют собственный РПК участка ванны «электрод-подина».
Недостатками известного способа являются:
- сложность осуществления способа, так как необходимо установление нулевого значения суммы действующих значений токов измеряющей частоты в двух электродах путем одновременного изменения четырех параметров - двух амплитуд и двух фаз ЭДС источников измеряющей частоты.
- необходимость применения фильтра, прозрачного для токов измеряющей частоты, соединяющего нулевые точки ванны и вторичных обмоток печного трансформатора.
Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение процесса определения электрических параметров, характеризующих состояние подэлектродных пространств ванны трехфазной трехэлектродной прямоугольной руднотермической печи с расположением электродов в линию и токоподводом по схеме «звезда» на электродах.
Этот результат достигается тем, что в заявляемом способе определения электрических параметров, характеризующих состояние подэлектродного пространства трехфазной трехэлектродной руднотермической печи с расположением электродов в линию и короткой сетью по схеме «звезда» на электродах, в соответствии с которым последовательно к каждому электроду подключают управляемый источник питания измеряющей частоты, отличной от рабочей частоты источника питания печи, для комбинаций из двух электродов «крайний-крайний», «один из крайних-средний» оставляют неизменными амплитуды и фазы ЭДС их источников питания измеряющей частоты такими, что фазы их ЭДС отличаются друг от друга на 180 электрических градусов, изменяют амплитуду и фазу ЭДС источника измеряющей частоты оставшегося электрода так, чтобы действующее значение тока измеряющей частоты в нем стало равным нулю, измеряют ток в цепи попарно выбранных электродов, активные мощности, выделяющиеся на участках «электрод-подина» на измеряющей частоте, и в качестве параметров, характеризующих состояние подэлектродных пространств, вычисляют собственные разностно-потенциальные коэффициенты участков ванны «электрод-подина» для электродов в соответствии с выражениями:
, , ,
1и
1и,
2и
2и
3и
4и
т
где I, PP - величины тока в первичной цепи источника питания измеряющей частоты одного из электродов и активные мощности, выделяющиеся на участках «электрод-подина» на измеряющей частоте для комбинации электродов «крайний-крайний»; I, P, P - величины тока в первичной цепи источника питания измеряющей частоты «среднего» электрода и активные мощности, выделяющиеся на участках «электрод-подина» на измеряющей частоте для комбинации электродов «один из крайних-средний»; w - количество витков первичной обмотки вводного устройства.
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ определения электрических параметров, характеризующих состояние подэлектродных пространств ванны трехфазной трехэлектродной прямоугольной руднотермической печи, отличается от известного тем, что в качестве параметров, характеризующих состояние подэлектродных пространств, вычисляют собственные разностно-потенциальные коэффициенты участков ванны «электрод-подина» для электродов. При этом:
1) оставляют неизменными амплитуды и фазы ЭДС управляемых источников питания измерительной частоты в двух электродах такими, что фазы их ЭДС отличаются друг от друга на 180 электрических градусов;
2) требуется установление равенства нулю действующего значения тока измерительной частоты только одного электрода, осуществляемое итерационным процессом последовательного изменения величин амплитуды и фазы одного управляемого источника питания измерительной частоты. Это упрощает и ускоряет процесс определения разностно-потенциального коэффициента, характеризующего состояние подэлектродного пространства ванны;
3) отсутствует необходимость в фильтре, прозрачном для тока измеряющей частоты и непрозрачном для тока рабочей частоты, подключаемом к выводу подины печи и к нулевому выводу вторичных обмоток печного трансформатора.
Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной области техники и, следовательно, обеспечивает заявленному техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Как параметры схемы замещения ванны РТП резистивного нагрева РПК ванны предложены в [6]. Согласно принципу суперпозиции, справедливому для линейных систем, напряжение на участке ванны «электрод-подина» можно представить алгебраической суммой частичных напряжений, каждое из которых обусловлено действием тока, протекающим в одном из электродов
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>1</mn><mi>э</mi><mo>−</mo><mi>п</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>2</mn><mi>э</mi><mo>−</mo><mi>п</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>3</mn><mi>э</mi><mo>−</mo><mi>п</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow>
i,j
где
,
,
- напряжения на участках ванны «электрод-подина»,
- частичные напряжения на участках ванны «электрод-подина», R - разностно-потенциальные коэффициенты схемы замещения ванны.
i,j
1,1
1,2
ij
ji
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˙</mo></mover><mi>j</mi></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˙</mo></mover><mi>j</mi></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mn>1</mn><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mn>1</mn><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow>
Разностно-потенциальный коэффициент R определяет связь между частичным напряжениям
на участке ванны «i-й электрод-подина» и током j-го электрода печи
. РПК схемы замещения ванны зависят от ее формы, от расположения и геометрических размеров электродов, формы их рабочих поверхностей, а также от электрической проводимости материалов среды ванны [6]. В зависимости от того, к каким электродам относятся частичное напряжение
на участке ванны и ток электрода
, различают собственные и взаимные РПК. Например, собственный РПК R ванны трехэлектродной печи определяет связь между частичным напряжением
участка ванны «первый электрод-подина», наводимым током первого электрода за счет его растекания по материалам среды ванны, и значением тока этого электрода. В свою очередь, взаимный РПК R устанавливает связь между частичным напряжением
участка ванны «первый электрод-подина» и током, протекающим во втором электроде. Для взаимных РПК схемы замещения справедлив принцип взаимности R=R, i≠j [6].
1,1
Известно [7], что для расстояний между осями электродов, характерных для действующих печей, собственный РПК участка «электрод-подина» ванны для каждого электрода весьма слабо зависит от состояния подэлектродных пространств соседних электродов, что дает основание использовать его в качестве электрического параметра, характеризующего состояние пространства под электродом ванны. Например, независимо от положения в ванне первого электрода при изменении заглубления в ванну соседних электродов (в данном случае - второго и третьего) значение собственного РПК R участка ванны «первый электрод-подина» изменяется незначительно.
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mrow><mn>1,1</mn></mrow><mo>∗</mo></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>1,1</mn></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>э</mi><mi>y</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mrow><mn>1,2</mn></mrow><mo>∗</mo></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>1,2</mn></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>э</mi><mi>у</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mrow><mn>1,3</mn></mrow><mo>∗</mo></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>э</mi><mi>у</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>h</mi><mi>э</mi><mo>∗</mo></msubsup></mrow>
эу1
1.3
1.2
2,3
1,1
2,2
3,3
1,3
На фиг. 1 изображены полученные физическим и математическим моделированием зависимости относительных собственного
(кривая 1) и взаимных РПК
и
(кривые 2 и 3 соответственно) ванны прямоугольной печи с расположением электродов в линию от их относительного заглубления
, где R - сопротивление ванны первого электрода в предположении отсутствия в ванне остальных электродов. Анализ зависимостей показывает, что взаимный РПК R примерно на порядок меньше взаимных РПК R, R и на два порядка меньше собственных РПК R, R, R ванны прямоугольной печи. Это дает основание при исследовании электрического режима печи пренебречь влиянием взаимного РПК R. Поэтому для токов измерительной частоты справедливы равенства
э
1,1
3,3
2,2
1,2
2,3
1,3
1,3
Для прямоугольной печи производства карбида кальция с тремя плоскими электродами, имеющими одинаковые заглубления, мощностью 60 MB·A (I=119,5 kA) путем математического моделирования определены РПК ванны: R=R=1,1 мОм; R=1,08 мОм; R=R=0,05 мОм; R=0,01 мОм. Из результатов моделирования видно, что значение взаимного РПК R составляет менее 1% по сравнению с собственными РПК ванны.
2и
1и
3и
Допустим, что обеспечен электрический режим печи, при котором отсутствует ток измерительной частоты в среднем (втором) электроде I=0. Тогда очевидно I=I и справедливы соотношения
1и
2и
3и
В случае, когда отсутствует ток в одном из крайних электродов, например в первом, справедливы соотношения I=0, I=I. Подставляя их в (2), получим
и с учетом (3)
1пит
2пит
3пит
1кс
2кс
3кс
1,1
2,2
3,3
1,2
2,3
1,3
На фиг. 2 изображена схема цепи печи с источниками питания измеряющей частоты и приборами для измерения, в которой E, Е, Е - ЭДС вторичных обмоток печного трансформатора; Z, Z, Z - сопротивления вторичных обмоток трансформатора и короткой сети; R, R, R - собственные разностно-потенциальные коэффициенты схемы замещения ванны; R, R, R - взаимные разностно-потенциальные коэффициенты схемы замещения ванны.
1изм
2изм
3изм
Ввод ЭДС источников питания измеряющей частоты можно осуществить, например, при помощи вводных устройств, по конструкции напоминающие трансформаторы тока, которые на фиг. 2 обозначены T1, T2, T3. Вторичными обмотками вводных устройств являются ветви короткой сети, охваченные магнитопроводами, на которых расположены первичные обмотки с большим числом витков. Первичные цепи вводных устройств содержат фильтры Ф1, Ф2, Ф3, прозрачные для тока рабочей частоты источника питания, фильтры Ф4, Ф5, Ф6, прозрачные для токов измеряющей частоты, источники питания измеряющей частоты e, е, е с изменяемыми амплитудой и фазой ЭДС. В первичную цепь включены датчики действующего значения тока ДТ1, ДТ2, ДТ3, токовые обмотки ваттметров W1, W2, W3. По величине тока первичной цепи вводного устройства судят о токе измеряющей частоты в электроде. Обмотки напряжения ваттметров W1, W2, W3 последовательно соединены с прозрачными для тока измеряющей частоты фильтрами соответственно Ф7, Ф8, Ф9 и подключены к электродам и подине ванны.
На фиг. 3а, 3б изображены возможные схемы фильтров, прозрачные для токов одной частоты и непрозрачные для токов другой частоты. Например, если схемы прозрачны для токов измерительной частоты и непрозрачны для токов рабочей частоты, то в каждой из них параллельный контур имеет резонансную настройку на частоте рабочего тока. Сопротивление параллельного контура имеет индуктивный характер для измеряющей частоты, если она ниже частоты питающего печь тока. Поэтому для пропускания токов измеряющей частоты последовательно с этим контуром включен конденсатор, емкостное сопротивление которого совместно с индуктивным сопротивлением контура обеспечивает резонанс напряжений на измеряющей частоте. Если же измеряющая частота больше рабочей частоты, то параллельный контур имеет емкостное сопротивление, к которому последовательно подключена катушка, обеспечивающая резонанс напряжений на измеряющей частоте.
Способ осуществляется следующим образом.
1,1
3,3
1изм
3изм
2изм
2и
1и
3и
Пусть необходимо определить собственные разностно-потенциальные коэффициенты R, R участков ванны «крайний электрод-подина». Тогда амплитуды и фазы ЭДС источников измеряющей частоты e и е оставляют неизменными такими, что их фазы ЭДС отличаются друг от друга на 180 электрических градусов. Амплитуду и фазу ЭДС источника измеряющей частоты е изменяют так, чтобы действующее значение тока I измеряющей частоты в ветви среднего электрода достигло значения, равного нулю. При этом условии действующие значения токов I и I будут равны, а собственные разностно-потенциальные коэффициенты ванны для крайних электродов определяются по выражениям (3).
2,2
2изм
3изм
1изм
1и
2и
3и
2,2
При определении собственного разностно-потенциального коэффициента R участка ванны «средний электрод-подина» амплитуду и фазу ЭДС источника измеряющей частоты е и, например, амплитуду и фазу ЭДС источника измеряющей частоты е оставляют неизменными такими, что фазы их ЭДС отличаются друг от друга на 180 электрических градусов. При этом амплитуду и фазу ЭДС источника измеряющей частоты е изменяют так, чтобы действующее значение тока I измеряющей частоты в ветви первого электрода достигло значения, равного нулю. Тогда действующие значения токов I и I также будут равны, а собственный потенциальный коэффициент R ванны для среднего электрода определяется по (4).
Источники информации
1. А.С. СССР №436458, кл. Н05B 7/144. Способ определения сопротивления межэлектродного пространства рабочей зоны трехфазной руднотермической печи. 1972.
2. А.С. СССР №706943, кл. Н05B 7/144. Фрыгин В.М. Способ определения проводимости подэлектродного объема трехфазной руднотермической печи. Опубл. 31.12.79 в БИ №48,1979.
3. А.С. СССР №955534, кл. Н05B 7/144. Фрыгин В.М. Способ определения сопротивления между электродом и подиной трехфазной трехэлектродной руднотермической печи. Опубл. 30.08.82 в БИ №32, 1982.
4. А.С. СССР №955535, кл. H05B 7/144. Фрыгин В.М. Способ определения проводимости между электродом и подиной трехфазной трехэлектродной руднотермической печи. Опубл. 30.08.82 в БИ №32,1982.
5. Патент РФ №2550739. Ильгачев А.Н., Абрамов А.В. Способ определения электрического параметра, характеризующего состояние подэлектродного пространства трехфазной трехэлектродной печи. Опубл. 10.05.2015. Бюл. №13.
6. Ильгачёв А.Н. Разностно-потенциальные коэффициенты ванн многоэлектродных печей резистивного нагрева / А.Н. Ильгачёв // Вестник Чувашского университета. 2006. №2. С. 227-233.
7. Ильгачёв А.Н. Исследование разностно-потенциальных коэффициентов ванн многоэлектродных печей резистивного нагрева / А.Н. Ильгачёв // Региональная энергетика и электротехника: проблемы и решения. Вып. 7. Чебоксары. Изд-во Чуваш, ун-та. 2011. С. 196-209.