автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Динамические режимы в электромеханических системах дуговых сталеплавильных печей и их воздействие на вводимую активную мощность

Бикеев Роман Александрович

ДИНАМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ВВОДИМУЮ АКТИВНУЮ МОЩНОСТЬ

Специальность: 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Бикеев Роман Александрович

ДИНАМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ВВОДИМУЮ АКТИВНУЮ МОЩНОСТЬ

Специальность: 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Чередниченко Владимир Семенович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Миронов Юрий Михайлович доктор технических наук, профессор Радченко Михаил Васильевич

Ведущее предприятие — ОАО "Всероссийский научно-исследовательский институт электротермического оборудования (ВНИИЭТО)"

Защита диссертации состоится " 16 " декабря " 2004 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.04 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20. Факс: (383-2) 46-28-67. E-mail: elterm@tantra.power.nstu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " 15 " ноября " 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

I

«

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Дуговые сталеплавильные печи (ДСП) являются основными электрометаллургическими комплексами для получения стали из вторичного сырья и предварительно восстановленной окиси железа (металли-зованных окатышей). Развитие оборудования рассматриваемого направления вывело эти электротехнологические агрегаты в категорию самых мощных потребителей электроэнергии с непрерывно изменяющимися по времени активной и реактивной мощностями по фазам. Применение на существующих ДСП трансформаторов мощностью 100- 150 MB А определяет необходимость рассматривать эти электропечи как сверхвысокомощные агрегаты при рабочих токах в фазах до 100000 - 150000 А. Вероятностное изменение токов в диапазоне от нуля до токов коротких замыканий в фазах приводит к возникновению переноса мощности по фазам и изменяющихся электродинамических сил, обусловленных электромагнитным взаимодействием токоподводов фаз печи. Эти силы вызывают упругие колебания электромеханической системы, включающей рукава электрододержателей, электроды и гибкую часть токоподводов. Рассматриваемые электромеханические колебания могут вызывать резонансные явления в замкнутой системе автоматического регулирования мощности, что не позволяет работать автоматическому регулятору в оптимальных режимах, снижает вводимую в ДСП активную мощность и ограничивает дальнейшее развитие ДСП.

Используемые методы создания и эксплуатации сверхмощных ДСП до настоящего времени базируются на традиционных подходах к анализу и выбору эксплуатационных режимов на основе статических электрических и рабочих характеристик дуговых печей. Увеличение вводимой мощности потребовало не только изменения конструктивных решений ДСП, но и показало, что сверхмощные ДСП необходимо рассматривать как электромеханическую несимметричную трехфазную систему с непрерывно изменяющимися параметрами в реальном времени.

Существенная потребность в совершенствовании сверхмощных ДСП и необходимость оптимизации их эксплуатационных характеристик определило актуальность решения рассматриваемой проблемы. Анализу, постановке и решению этих задач посвящена реферируемая диссертационная работа.

Целью работы является исследование динамических режимов работы сверхвысокомощных ДСП при различных конструктивных исполнениях узлов; исследование причин появления и диапазонов изменения динамических активных и индуктивных сопротивлений фаз, переноса мощности по фазам и электромеханических колебаний в системе дуга - электрод - электрододержатель — кабельная гирлянда; разработка методов стабилизации электрических режимов при условии максимального введения мощности в рабочее пространство электропечей.

Объект исследования — дуговые сталеплавильные печи, действующие на предприятиях металлургической промышленности. Особое внимание уделяется сверхвысокомощным крупнотоннажным дуговым сталеплавильным электропечам в виду их перспективности развития в современных условиях (на примере электропечей ДСП- 100И7).

Общая методика исследований - математическое моделирование несимметричных электрических трехфазных цепей с дугой в реальных диапазонах изменения параметров электропечей с использованием паспортных, расчетных и экспериментальных исходных данных с одновременным сравнением получаемых характеристик с результатами целевых экспериментов на промышленных электропечах. Разработанная математическая модель реализована в виде программы на компьютере типа IBM PC в среде Watcom C++ v.l 1.0.

Научная новизна.

1. В результате проведенных работ подтверждено, что ДСП является объектом комплексного взаимодействия взаимосвязанных колебательных контуров электромеханической системы, способных генерировать и поддерживать колебания механической системы и, как следствие, электрических режимов в несимметричной трехфазной системе ДСП.

2. Показано, что вследствие изменения вертикальных положений гибких кабелей друг относительно друга при отработке системой автоматического регулирования возмущений электрического режима и одновременно горизонтального маятникового перемещения кабелей под действием межфазных электродинамических силовых взаимодействий с учетом возможного несвоевременного или некачественного перепуска электродов происходит непрерывное по времени изменение активного и индуктивного сопротивления короткой сети. Это приводит к появлению систематических отклонений действующих значений токов и напряжений на дугах фаз от оптимальных расчетных значений уставок токов фаз автоматической системы управления мощностью электропечи. Установлено, что изменения индуктивности во времени приводят к колебательным увеличениям токов до величин, соизмеримых с токами коротких замыканий в фазах. Доказано, что эти явления не связаны с плавлением шихты, процессами коротких замыканий в дуговых промежутках металл - электрод и не могут быть ликвидированы или предотвращены вертикальным перемещением электродов.

3. Разработан математический аппарат, позволяющий получать обобщенные характеристики изменения во времени взаимоиндуктивных связей (сопротивлений) на участке кабельных гирлянд при наличии электромеханических колебаний, динамических индуктивностей фаз и в целом короткой сети при вертикальном перемещении фаз, абсолютных значений индуктивных сопротивлений фаз короткой сети в реальном масштабе времени, среднефазных индуктивных сопротивлений, коэффициента асимметрии, мгновенных значений активной мощности в различных фазах.

4. Численные эксперименты на базовой для отечественной электротермии электропечи ДСП-100И7 показали, что интегральное индуктивное сопротивление триангулированной короткой сети в существующем конструктивном исполнении с токоведущими трубами на рукавах электро до держателей на 1015% больше, чем индуктивное сопротивление короткой сети электропечи с

токоведущими рукавами, выполненными в триангулированном (Хсрф = 3.4299 мОм), копланарном вариантах с трубчатой петлей на среднем рукаве (Хср ф =3.4654 мОм) или без петли (Хсрф =3.3422 мОм). Применение в короткой сети ДСП-100И7 копланарного токоподводящего рукава без специальных мер по симметрированию короткой сети приводит к появлению существенной несимметрии, достигающей 11%. Конструктивное исполнение средней фазы токоподвода с использованием трубы-петли позволяет снизить коэффициент асимметрии практически на порядок.

5. Доказано, что изменение активных и индуктивных сопротивлений фаз приводит к изменению во времени интенсивности и направления переноса мощности по фазам. При изменении токов в большом диапазоне (например от 20 кА до 100 кА в одной фазе) возможны режимы при которых мертвая и дикая фазы меняются местами или сдвигаются на одну фазу в направлении или против направления следования фаз в трехфазной цепи. При этом суммарная интегральная активная мощность изменяется (для ДСП-100И7) в сторону увеличения до 1500 кВт или в сторону уменьшения до 2500 кВт.

6. Доказано, что для реализации рациональных режимов максимального введения активной мощности в рабочее пространство трехфазные сталеплавильные электропечи необходимо рассматривать как электромеханические системы самогенерирующие механические, электрические и электродинамические колебания со взаимосвязанными изменениями во времени динамическими составляющими активных и индуктивных сопротивлений фаз и динамическими процессами переноса мощности по фазам. Обеспечить компенсационное управление изменяющихся во времени эксплуатационных параметров с использованием существующих на электропечи систем автоматического управления вертикальным перемещением электродов не представляется возможным.

7. Для оптимизации работы современных сверхвысокомощных ДСП целесообразно использовать два независимых, но взаимосвязанных контура автоматического управления режимами работы ДСП: управление динамическим индуктивным сопротивлением с целью его стабилизации в оптимальных диапазонах значений в текущем времени при реально протекающих токах и самоустанавливающихся напряжениях на дугах и управление активным сопротивлением дуг путем вертикального перемещения электродов с одновременной коррекцией уставки тока в конкретных фазах.

Практическая полезность и реализация результатов работы.

1. Разработаны инженерные средства оценки диапазонов изменения параметров сверхмощных ДСП с учетом их динамических изменений в отдельные периоды плавки в реальном времени за счет электродинамического пере-

носа мощности и электромеханических колебаний в системах дуговые разряды - электроды - электрододержатели - кабельные гирлянды.

2. На основе предложенных в работе методов и математических моделей, анализа результатов проведенных численных экспериментов доказано, что для повышения технического уровня современных сверхвысокомощных ДСП целесообразно создание системы управления энергетическими режимами на основе математических моделей, построенных с учетом индивидуальных механических свойств конкретной системы дуговой разряд - электрод - электродо-держатель — гибкие кабели.

3. Полученные научные результаты позволили сформулировать технические требования к созданию нового двухконтурного способа управления и оптимизации процессов в сверхвысокомощных ДСП.

4. Результаты работы позволяют обоснованно выбирать и рассчитывать диапазон изменения индуктивных сопротивлений управляемых реакторов с учетом ограничений токов коротких замыканий при максимальных ступенях напряжений трансформаторов (близких к 1000 В или выше 1000 В).

5. Отдельные результаты работы, технические предложения и рекомендации используются при модернизации действующих электропечей и создании новой серии ДСП; используется в учебном процессе в НГТУ.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции "Проблемы энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках" (г. Тверь, 2001 г.), на международных симпозиумах "The Russian - Korean International Symposium on Science and Technology" (третий - г. Новосибирск, 1999 г.; пятый - г. Томск, 2001 г.; шестой - г. Новосибирск, 2002 г.), на международном коллоквиуме "Modeling for Electromagnetic Processing" (Hanover, 2003 г.), конференции "Интеллектуальный потенциал Сибири" (г. Новосибирск, 1995 г.), межвузовской научной конференции "Электротехника, электромеханика, электротехнологии" (г. Новосибирск, 2001 г.), научных конференциях аспирантов и молодых ученых (г. Новосибирск, 1998,1999 гг.).

Публикации. Результаты выполненных исследований опубликованы в 19 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 98 наименований, приложения, содержит 229 страниц текста, 57 рисунков и 29 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи и основные направления исследований.

Первая глава посвящена анализу современного состояния и развития ДСП; сделан обзор литературы по состоянию исследований электромеханиче-

ских и электродинамических явлений в ДСП в России и за рубежом; проанализированы результаты, полученные исследователями этой проблемы, проведена оценка их вклада в развитие теоретических представлений и практического использования в современных сверхмощных ДСП. Проведенный анализ, в основу которого положены научные работы B.C. Чередниченко, К.М. Хасина, А.И. Сапко, Н.В. Коваля, А.Н. Ведина, Л.П. Елмановой, Н.Б. Тесля и опыт эксплуатации сверхмощных и сверхвысокомощных ДСП, созданных специалистами ОАО "ВНИИЭТО" и ОАО "Сибэлектротерм", привел к выводу, что состояние отечественных ДСП не отвечает мировому техническому уровню и требуются существенные изменения их конструктивного исполнения и режимных параметров. Это послужило основой формирования нового направления в исследовании ДСП как электромеханического агрегата.

Во второй главе разработана новая обобщенная схема действующих взаимосвязей в электромеханической системе ДСП (см. рис. 1). Приведенная схема включает в себя совмещенные по проявляемым электродинамическим и механическим свойствам различные участки токоподвода, механических кон-

Рис. 1. Обобщенная схема ДСП как объекта со взаимосвязанными колебательными контурами

струкций и традиционный автоматический регулятор мощности, обеспечивающий вертикальные перемещения электродов. Обобщенная схема позволила сформировать новое представление о причинно-следственных связях возникновения и развития изменений рабочих токов в фазах ДСП и была положена в основу математического моделирования электрических режимов ее работы с учетом электромеханических колебаний, переноса мощности по фазам в несимметричной трехфазной системе ДСП.

т/

Рис. 2. Модель кабельных гирлянд трехфазной ДСП

В связи с наличием динамических режимов возникает необходимость исследования влияния электромеханических колебаний на индуктивность токоподводов ДСП.

Исследованная трехфазная система гибких кабелей представлена на рис. 2. Кабельные гирлянды трехфазной ДСП каждой фазы представлялись одним кабелем, имеющем массу и жесткость реального количества кабелей в фазе.

Динамическая модель подсистемы гибких кабелей построена с использованием уравнения

ш(*) = ,Рэ(М,;г), (1)

с?г л

где т - приведенная к нижней точке петли масса кабеля; й - коэффициент демпфирования; Рэ - электродинамическая сила, приведенная к нижней точке петли кабеля; ускорение свободного падения; к- длина перпендикуляра, опущенного из нижней точки петли кабеля на ось вращения; х ~ Угол отклонения кабеля от статического равновесия.

Электрическая часть модели электромеханических колебаний гибких кабелей определяет правую часть уравнения (1) и выражает электродинамическую силу Рэ, которая является функцией мгновенных значений токов в фазах, а также угла отклонения гибких кабелей от положения статического равновесия. Для ее определения решалась система нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих несимметричную электрическую цепь трехфазной ДСП.

Действующие значения напряжений на дугах 11^, ид2, Vдз определялись по следующей зависимости: ид1=ид1+ад,-4,, где ид>, <гд, - математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение действующего значения напряжения на дуге; - одно из значений нормально распределенной случайной величины с математическим ожиданием 0 и дисперсией 1.

Собственные и взаимные индуктивности фаз на каждом из участков короткой сети определялись по методу участков

*=1Ы

(2)

4об=ЁА+£ 1.М,.,

(=1 1=17-1 1

где Ь, - собственная индуктивность г'-го прямолинейного проводника в рассматриваемой фазе; Мч - взаимная индуктивность между ¿'-м иу'-м прямолинейным проводником в рассматриваемой фазе; Ми - взаимная индуктивность между к-и прямолинейным проводником одной фазы и 1-м прямолинейным про-

водником другой фазы на рассматриваемом участке короткой сети; составляющая комплекса соотношения векторов токов, протекающих по проводникам к и /; 5— характеризуется отношением токов по величине модулей;

определяется сдвигом векторов токов по фазе; п - количество прямолинейных проводников, на которое разбиваются токоведущие части каждой фазы на рассматриваемом участке короткой сети.

Разработанная математическая модель электромеханических колебаний кабельных гирлянд позволяет определять по заданным геометрическим размерам участков короткой сети собственные индуктивности фаз, а также реальные взаимные индуктивности фаз короткой сети с учетом электромеханических колебаний в системе ДСП во взаимосвязи с изменениями мгновенных значений токов в фазах ДСП.

В третьей главе приведены результаты численных экспериментов, позволяющие провести анализ влияния изменения геометрического расположения проводников короткой сети на взаимную индуктивность между фазами. Эксперименты проводились в приложении к базовой конструкции электропечи ДСП-100И7 при различных вариантах конструктивного исполнения токопод-вода. Исходными данными для численных экспериментов приняты геометрические размеры каждого участка вторичного токоподвода по чертежам указанных печей, а также паспортные электрические параметры установок — активное, индуктивное сопротивление фаз электропечного трансформатора и активное сопротивление фаз короткой сети.

В результате моделирования были получены: мгновенные значения фазных токов для крайних и средней фаз; мгновенные значения электродинамических сил, действующих на участке гибких кабелей и соответствующие им углы отклонения гибких кабелей трех фаз во времени, а также действующие значения фазных токов для крайних и средней фаз, действующие значения напряжений на дугах в крайних и средней фазе. В качестве примера на рис. 3 приведены действующие значения токов и напряжений на дугах в различных фазах. Установлено, что максимальные углы отклонения гибких кабелей крайних фаз от положения статического равновесия, рассчитанные программным путем, могут достигать 31 градуса, а угол отклонения кабеля, принадлежащего средней фазе, достигает 10 градусов. Увеличение тока в фазе С на временном интервале 10-12 с, связанное с возникшим коротким замыканием (см. рис. 3 в, е), приводит к броску тока, достигающему тока короткого замыкания (появляется так называемое "ложное" короткое замыкание) в опережающей фазе В (см. рис. 3 б, д). Аналогичная картина наблюдается и при увеличении за счет короткого замыкания тока в фазе В (см. временные отрезки 27-29 с, 42-44 с, 5557 с на рис. 3 б, д) за исключением того, что в данном случае влиянию подвергается фаза А (см. рис. 3 а).

Изменение геометрического расположения проводников короткой сети проводилось по пяти различным вариантам, в каждом из которых учитывалось изменение углов синхронного отклонения крайних кабелей — кабелей фаз А и С в противоположные стороны от вертикали, в диапазоне от -5 до +30 градусов с

Рис. 3. Действующие значения токов и напряжений на дугах в различных фазах: а, б, в - токи в фазах А, В, С; г, д, е - напряжения на дугах в фазах А, В, С

Для последующей обработки результатов исследований в относительных • единицах изменяющихся параметров рассчитаны базовые значения взаимных индуктивностей фаз короткой сети на участке кабельных гирлянд, на участке трубошин (токо проводящих рукавов), на участке электродов, а также всей короткой сети; собственных индуктивностей крайних и среднего гибких кабелей.

Анализ результатов исследований позволил установить следующие закономерности влияния рассматриваемого характера изменения геометрического расположения проводников короткой сети на собственную индуктивность фаз и взаимную индуктивность между ними.

Величина базовой взаимной индуктивности фаз на участке трубошин (то-копроводящих рукавов) превосходит по величине взаимную индуктивность фаз на участке кабельных гирлянд.

Наименьшей по величине базовой взаимной индуктивностью фаз короткой сети обладает ДСП-100И7 с триангулированной короткой сетью и трубо-шинами на рукавах электрододержателей, наибольшей ДСП-100И7 с копла-

нарным токопроводящим рукавом фирмы "Fuchs". Причем наибольшее соотношение между величинами взаимных индуктивностей фаз наблюдается у ДСП-100И7 с копланарным токопроводящим рукавом фирмы "Fuchs".

Несвоевременный перепуск или наращивание электрода в какой-либо фазе приводит к существенным изменениям величин взаимных индуктивностей фаз на участках трубошин (токопроводящих рукавов), на участке электродов, а также на участке кабельных гирлянд (данные участки короткой сети перечислены в порядке уменьшения влияния названного изменения геометрии короткой сети на величину взаимной индуктивности между фазами токоподвода), что, вполне естественно, приводит к существенным изменениям интегральных величин взаимных индуктивностей фаз всей короткой сети.

Отклонение гибких кабелей от вертикали при одинаковом, равном базовому (1800 мм), вылете стоек всех фаз приводит к существенному изменению взаимных индуктивностей между фазами короткой сети. При отклонении гибких кабелей от вертикали в рассматриваемых диапазонах величина взаимной индуктивности крайней левой и центральной фазы А и В может изменяться в диапазоне от -16.3% до +5.4% от базовой величины взаимной индуктивности, для центральной фазы В и крайней правой фазы С может изменяться в диапазоне от -16.4% до +7.2% от базовой величины взаимной индуктивности, а для крайних фаз А и С может изменяться в диапазоне от -23% до +11.8% от базовой величины взаимной индуктивности.

Определен диапазон изменения взаимных индуктивностей фаз короткой сети, усредненный для всех рассматриваемых объектов исследования по всем рассматриваемым вариантам изменения взаимного геометрического расположения проводников короткой сети: взаимная индуктивность крайней левой и средней фазы может изменяться в диапазоне от -42% до +23% от базовой

величины взаимной индуктивности; взаимная индуктивность средней и крайней правой фазы может изменяться в диапазоне от -40.3% до +18.5% от базовой величины взаимной индуктивности; взаимная индуктивность крайних фаз может изменяться в диапазоне от -42% до +12.4% от базовой величины взаимной индуктивности.

Несвоевременный перепуск электрода влияет на собственную индуктивность участка гибких кабелей.

В четвертой главе рассмотрены динамические активные и индуктивные сопротивления, которые определяются из соотношений между напряжениями и токами цепи, полученными на основании векторной диаграммы трехфазной цепи

ЪинА = cos{aAB -90°)-Ic°>MACcos{<XAC "90°)],

гдинВ = yiß\jCW^BCcos{аВС -90°)-Iji<oMjgcos(at^g-90°)], (3) röw,C = V'c \Ja°>mAC С08(«ЛС -90°) - IgCoM bc cos (arge " 90°)],

хдинЛ = -1¡¡А [1В<»МАВБ!п(аАВ -90°) + 1СШАС вт(аАС -90°)],'

ХдинВ=-Ч^[1сюМвсзт{аВс-90°)+1АшМАВ*т{аАВ -90°)], (4)

*динС =-Ч1с\}А<оМАС*™{<*АС -90°)+1всоМвс8т(авс -90°)], где 1А, 1В, 1с ~ значения модулей фазных токов; МАВ, Мвс, МАС - взаимные индуктивности соответствующих фаз; аАВ, «во аАС ~ Угол между векторами соответствующих фазных токов.

Разработан математический аппарат, представляющий собой систему комплексных уравнений, составленную в соответствии с законами Кирхгофа, а также метод ее решения, и позволяющий определять модули токов отдельных фаз совместно с углами между векторами токов при несимметричной нагрузке.

Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы.

Учет всей совокупности факторов, приводящих к изменению геометрического расположения проводников короткой сети, показывает, что общий диапазон изменения динамического индуктивного сопротивления фаз короткой сети у рассматриваемых объектов исследования может составлять от -21.13% до -52.8% от базовой величины индуктивного сопротивления фазы, рассчитанного по базовому значению собственной индуктивности, а диапазон изменения динамических активных сопротивлений может составлять от 0% до 147.25% от базовой величины, которой является собственное активное сопротивление фазы. Доказано, что динамическое активное сопротивление, изменяясь в указанном диапазоне, может быть как положительным, так и отрицательным.

Индуктивное сопротивление триангулированной короткой сети ДСП-100И7 с токоведущими трубами на рукавах электрод од ержателей на 10- 15% больше индуктивного сопротивления короткой сети ДСП-100И7 с токоведу-щими рукавами, выполненными в триангулированном варианте, копланарном варианте с трубой петлей на среднем рукаве или копланарном варианте без петли.

Применение в короткой сети ДСП-100И7 копланарного токопроводящего рукава без специальных мер по симметрированию короткой сети приводит к существенному коэффициенту асимметрии, достигающему 11%. Как показали наши расчеты применение трубы петли на среднем рукаве позволяет снизить коэффициент асимметрии на порядок.

Оптимальной с точки зрения симметрии короткой сети является триангулированная короткая сеть ДСП-100И7 с токоведущими трубами на рукавах электрододержателей. Коэффициент ее асимметрии составляет менее 1%.

Учет всей совокупности факторов, приводящих к изменению геометрического расположения проводников короткой сети, показал, что наибольшее уменьшение индуктивных сопротивлений фаз короткой сети (до 16 - 17%) возможно у ДСП-100И7 с трубошинами и ДСП-100 И7 с триангулированным то-копроводящим рукавом, в то время как у ДСП-100И7 с копланарными токо-проводящими рукавами это уменьшение составляет 7 - 9%; наибольшее увеличение индуктивного сопротивления фаз короткой сети (до 24%) возможно у

ДСП-100И7 с копланарными токопроводящими рукавами, в то время как у ДСП-100И7 с трубошинами и ДСП-100И7 с триангулированным токопроводя-щим рукавом это увеличение составляет 17 - 20%. Установлено, что общий диапазон изменения индуктивного сопротивления фаз короткой сети для рассматриваемых объектов исследования составляет от -17% до +24% от базовой величины индуктивного сопротивления.

Разработанный в данной главе программный комплекс позволяет рассчитывать электрические характеристики ДСП с учетом изменения динамических сопротивлений и переноса мощности по фазам.

Полученный массив информации о взаимосвязях, существующих в электромагнитных системах трехфазных ДСП, позволяет за счет однозначности этих взаимосвязей создавать комплексные системы диагностики для определения причин отклонения реально протекающих электрических и энергетических процессов в фазах от оптимальных (рациональных) режимов.

В пятой главе проведено исследование влияния динамических сопротивлений короткой сети на электрические характеристики и перенос мощности по фазам. Установленны особенности развития электрических процессов в трехфазных несимметричных цепях ДСП. Показано, что в цепях возникают экстремальные режимы, которые сопровождаются увеличением токов до значений токов коротких замыканий за счет электромагнитных взаимосвязей в системе печи (см. рис. 3). Очевидно, что эти отклонения не могут быть ликвидированы вертикальным перемещением электрода. Нами эти режимы названы условно ложными короткими замыканиями, которые возникают за счет влияния соседних фаз, а не процессов в дуговом разряде рассматриваемой фазы.

Численные исследования поведения ДСП-100И7 в динамических режимах проводились для несимметричных режимов (разные токи в фазах), которые моделировались путем изменения тока в фазе С от тока близкого к холостому ходу до тока короткого замыкания при различной величине динамических возмущений, определяемых отклонением гибких кабелей от вертикального положения за счет действия электродинамических сил, изменения взаимного геометрического расположения кабелей фаз, а также трубошин (токопроводящих рукавов) за счет несвоевременного перепуска электродов и несинхронных вертикальных перемещений электродов, навязываемых системе автоматическим регулятором мощности для неизменных напряжениях на дугах в фазах А и В и равных идГид=300 В. Уровень динамических возмущений принят в соответствии с результатами моделирования приведенными в третьей главе, в диапазоне изменения взаимоиндуктивностей за счет пространственного изменения положения фазных участков короткой сети: минимально возможный -Мав~ 5.6784мкГн, Мдс= 5.6768 мкГн, Мса= 5.1819мкГн и максимально возможный - МАВ= 6.9402 мкГн, Мвс= 6.9384 мкГн, МСл = б.3335 мкГн.

Проведено исследование поведения системы ДСП в случае изменения тока в фазе С от тока близкого к холостому ходу до тока короткого замыкания для различных длин дуговых разрядов в фазах А и В (идл=Ьдв=400 В - "длин-

ные" дуги, ид=ид=300 В - "средние" дуги, ид=ид=200 В - "короткие" дуги) при неизменной геометрии короткой сети, соответствующей базовому варианту {М¿8=6.3093 мкГн, Мвс=6.3076мкГн, Мсл=5.7577мкГн).

Получены электрические характеристики каждой фазы, рассматриваемого объекта исследования при изменении тока в фазе С и одинаковых равных значениях напряжений на дугах в фазах А и В для минимально возможных, максимально возможных и базовых величинах взаимоиндуктивностей фаз. На рис. 4 приведены изменения действующих значений активных и индуктивных сопротивлений фаз короткой сети, а на рис. 5 изменения активной мощности дуговых разрядов различных фаз, а также суммарной активной мощности дуго-

10 кА кА

Рис. 4. Изменение действующих активных (а) и индуктивных (б) сопротивлений фаз короткой сети при изменении тока в фазе С и одинаковых (300 В) значениях напряжений на дугах в фазах А и В

вых разрядов при изменении тока в фазе С и одинаковых равных значениях напряжений на дугах в фазах А и В; цифрами 1,2,3 на рисунке обозначены величины взаимоиндуктивностей фаз для которых осуществлен расчет: 1 -Млв= 6.9402 мкГн, Мвс= 6.9384 мкГн, МСА= 6.3335 мкГн\ 2 -МАВ=63093мкГн, Мвс=6.3076мкГн, Мсл=5.7577мкГн; 3 -МАВ= 5.6784мкГн, Мвс= 5 6768 мкГн, МСА= 5.1819 мкГч. На рис. 6 приведены изменения активной мощности дуговых разрядов различных фаз, а также суммарной активной мощности дуговых разрядов при изменении тока в фазе С и базовой величине взаимоиндуктивностей фаз короткой сети; цифрами 1, 2, 3 на рисунке обозначены длины дуговых разрядов в фазах А и В для которых осуществлен расчет: 1 - "длинные" дуги ид=иь=400 В; 2 - "средние" дуги ид=ид~300 В; 3 -"короткие" дуги ид^=и^в~200 В.

На рис. 7 приведена запись рабочего режима промышленной электропечи ДСП-100И7 Новокузнецкого металлургического комбината (НКМК), полученная экспериментально.

Как видно, изменение параметров промышленной электропечи качественно и количественно совпадает с результатами численных экспериментов. Анализ результатов проведенных исследований позволил сделать следующие выводы.

Рис. 7. Экспериментальные регистрограммы действующего значения тока (а) и действующего значения напряжения на дуге (б) в крайней левой фазе в течении одного цикла плавки - от завалки до выпуска металла

Установлено, что перенос мощности по фазам имеет динамический характер и определяется также как и динамические сопротивления фаз - изменением в процессе работы установки взаимного геометрического расположения проводников короткой сети при вертикальном перемещении электродов, электромеханических колебаний в системе, несвоевременного или некачественного перепуска электродов.

Показано, что увеличение или уменьшение уровня динамических активных и индуктивных сопротивлений фаз короткой сети приводит к увеличению или уменьшению, соответственно, активной мощности дугового разряда в каж-

дой фазе и, как следствие, к увеличению или уменьшению суммарной активной мощности, вводимой в рабочее пространство. При этом суммарная активная мощность, вводимая в рабочее пространство рассматриваемой электропечи, изменяется в сторону увеличения до 1500 кВт или в сторону уменьшения до 2500 кВт. Именно эти процессы определяют изменение токов и напряжений рабочих режимов, приведенных на рис. 7.

Установлено, что при изменении тока в одной из фаз в широком диапазоне (от токов близких к холостому ходу до токов близких к короткому замыканию) при протекании по фазам несимметричных токов происходит изменение принадлежности "диких" и "мертвых" дуговых разрядов фазам установки. Причем изменение принадлежности "диких" и "мертвых" дуговых разрядов фазам установки в районе малых токов приводит к тому, что "дикий" дуговой разряд будет принадлежать фазе непосредственно отстающей от фазы, которой принадлежал "дикий" дуговой разряд до момента коллизии; в районе больших токов картина меняется на противоположную - "дикий" дуговой разряд будет принадлежать фазе непосредственно опережающей фазу, которой принадлежал "дикий" дуговой разряд до момента коллизии.

Анализ процессов переноса мощности, протекающих в проводниках вторичного токоподвода ДСП, целесообразно проводить с позиции источника питания (электропечного трансформатора), который обеспечивает не только мощность, сосредоточенную в проводниках каждой фазы вторичного токоподвода и дуговых разрядах, но и мощность переносимую (за счет электромагнитной связи) на участках короткой сети из одной фазы в другую фазу.

Показано, что ЭДС взаимной индукции различных фаз не компенсирует падения напряжений на собственных активных и индуктивных сопротивлениях, а одновременно сосуществует с ними в цепи.

Показано, что автоматические регуляторы импедансного типа приводят к снижению асимметрии мощности по фазам трансформатора (до уровней менее 5%), однако не устраняют явления "диких" и "мертвых" дуговых разрядов со всеми их негативными последствиями.

Установленные причины колебательных процессов тока и напряжения являются неотъемлемым свойством несимметричных трехфазных цепей с дугами; указанная колебательность может быть снижена только путем введения дополнительного контура автоматического управления динамическими составляющими индуктивных сопротивлений (например, управляемым реактором или непрерывным изменением фазных напряжений источника питания). Указанное решение приведено на рис. 1 в виде дополнительного контура управления.

Установлено, что рассматриваемые процессы переноса мощности выступают в качестве одной из причин, определяющих развитие колебательных процессов, которые наблюдаются на промышленных электропечах и выражаются в непрерывных изменениях токов и напряжений в значительных диапазонах действующих значений. Причем электромеханические характеристики ДСП определяются не изменениями градиента потенциала в дуговом разряде (градиент

потенциала в столбе дуговых разрядов не может иметь значения 20-30 кВ/м; эта величина изменяется в диапазоне от 1.5 кВ/м до 5 кВ/м), как это считалось до настоящего времени, а электродинамическими процессами в системе дуга -электрод - электрододержатель - гибкие кабели с учетом механических свойств каждого токоведущего участка цепи. Дуговые разряды обеспечивают в электродинамических процессах только функции преобразования электрической энергии в тепловую и являются источником первичных возмущений протекающих в цепи токов.

Показано, что использование в эксплуатации электропечей только крайних режимов работы: ярко выраженных "коротких" или "длинных" дуговых разрядов, приводит к суммарному снижению активной мощности на 7-9 МВт по сравнению с режимами средней длины дуги и, следовательно, соотношений

Таким образом установлено наличие оптимального значения между двумя "крайними" режимами работы ДСП, определяющего режимы максимального введения активной мощности в рабочее пространство ДСП.

Основные выводы по работе

1. Теоретическими и экспериментальными исследованиями показано, что ДСП является электромеханическим агрегатом, способным самогенерировать и поддерживать низкочастотные и высокочастотные составляющие токов и напряжений и имеет изменяющиеся во времени индуктивные сопротивления.

2. Разработана обобщенная схема ДСП как электромеханического объекта со взаимосвязанными колебательными контурами, которая позволила создать методы расчетов и обработки экспериментальных результатов исследований для диагностики несинусоидальных кривых напряжений и токов в несимметричной трехфазной системе ДСП с учетом процессов переноса мощности по фазам, изменяющихся во времени. Установлено, что изменения индуктив-ностей во времени за счет изменения пространственно - механических соотношений в системе приводит к колебательным увеличениям токов до величин, соизмеримых с токами коротких замыканий в фазах; электромеханические процессы в системе ДСП проявляются как усилители токов первичных возмущений, возникающих в рабочем пространстве электропечей.

3. Предложен метод расчета, позволяющий получать обобщенные характеристики изменения во времени взаимоиндуктивных связей на участке кабельных гирлянд при наличии электромеханических колебаний, динамических индуктивностей фаз и в целом короткой сети при вертикальном перемещении фаз, абсолютных значений индуктивных сопротивлений фаз короткой сети в реальном масштабе времени, среднефазных индуктивных сопротивлений, коэффициента асимметрии, мгновенных значений активной мощности в различных фазах

4. Проведен обобщенный анализ и сравнение нового технического решения для ДСП - токоподводящих рукавов электрододержателей, при различных конструктивных исполнениях для базовой электропечи ДСП-100И7 с ранее ис-'

пользованными техническими решениями электрододержателей с токоведу-щими трубами.

Численные эксперименты на базовой для отечественной электротермии электропечи ДСП-100 И7 показали, что интегральное индуктивное сопротивление триангулированной короткой сети в существующем конструктивном исполнении с токоведущими трубами на рукавах электрододержателей на 1015 % больше, чем индуктивное сопротивление короткой сети электропечи с токоведущими рукавами, выполненными в триангулированном (Хср ф = 3.4299 мОм), копланарном вариантах с трубчатой петлей на среднем рукаве (Хсрф =3.4654 мОм) или без петли {Хсрф =3.3422 мОм). Применение в

короткой сети ДСП-100И7 копланарного токоподводящего рукава без специальных мер по симметрированию короткой сети приводит к появлению существенной несимметрии, достигающей 11%. Конструктивное исполнение средней фазы токоподвода с использованием трубы-петли позволяет снизить коэффициент асимметрии практически на порядок.

5. Доказано, что процессы переноса мощности по фазам имеют динамический характер; в период плавки за счет изменения пространственного расположения в системе электроды - электрододержатели - гибкие кабели, вертикальных и горизонтально-колебательных перемещений мертвая и дикая фазы могут меняться местами или сдвигаться на одну фазу в направлении или против направления следования фаз в трехфазной сети. При этом диапазон изменения активной мощности, вводимой в электропечь, может достигать 4000 кВт.

6. Установлено, что стабилизация режимов работы ДСП при наличии электромеханических процессов в системе невозможна только с использованием существующих на электропечах систем автоматического управления вертикальным перемещением электродов.

7. Предложено использовать для управления процессами преобразования электрической энергии в тепловую в сверхвысокомощных ДСП два независимых, но взаимосвязанных контура автоматического управления режимами работы ДСП: управление динамическим сопротивлением фаз с целью его стабилизации в оптимальных диапазонах значений в реальном времени, а также увеличения напряжений на дугах и управление активными сопротивлениями дуг путем вертикального перемещения электродов.

8. Разработан математический аппарат для создания алгоритмов управления энергетическими режимами ДСП и алгоритмов диагностики с учетом электромеханических свойств конкретного объекта (массы, жесткости и динамических характеристик) и назначения электропечей (плавки шихты с различной насыпной массой).

9. Разработаны инженерные средства оценки диапазонов изменения параметров сверхмощных ДСП с учетом их динамических изменений в отдельные периоды плавки в реальном времени за счет электродинамического переноса мощности и электромеханических колебаний в системах дуговые разряды - электроды - электрододержатели - кабельные гирлянды.

Содержание диссертации опубликовано в 19 работах, в том числе:

1. Чередниченко B.C., Бикеев РА, Горева Л.П. и др. Математическое моделирование электромеханических процессов в дуговых сталеплавильных электропечах // Научный вестник НГТУ.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004.- №2(17).- С. 141-158.

2. Ведан А.Н., Тесля КБ., Бикеев РА. Физическая природа возмущений электрического режима дуговой электропечи // Экологически перспективные системы и технологии.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1998.- Вып. 2.- С. 86-90.

3. Ведан А.Н., Горева Л.П., Кузьмин М.Г., Бикеев РА. Исследование электромеханических колебаний в дуговых сталеплавильных электропечах при электродинамических взаимодействиях фаз // Экологически перспективные системы и технологии: Сб. науч. тр. / Под ред. B.C. Чередниченко.-Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000.-Вып. 4.-С. 60-73.

4. Cherednichenko V.S., Aliferov A.I., Bikeev RA Electromechanical Oscillations Influence to Inductance of Arc Furnace Second Circuit: Proceedings of the International Scientific Colloquium "Modeling for Electromagnetic Processing", March 24-26, 2003.-Hanover: Hanover University, 2003.- P. 285-291. (Влияние электромеханических колебаний на индуктивность токоподводов дуговой сталеплавильной печи).

5. Ведин А.Н., Бикеев РА., Кузьмин MJT. Влияние электродинамических колебаний на индуктивность токоподводов дуговой сталеплавильной печи // Вопросы совершенствования электротехнологического оборудования и электротехнологий: Вестник УГТУ-УПИ.- Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2000.- №8.- С. 85-88.

6. Бикеев РА. К определению динамической составляющей индуктивного сопротивления короткой сети дуговой сталеплавильной печи // Доклады и тезисы докладов межвузовской научной конференции: Электротехника, электромеханика, электротехнологии.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001.- С. 101-103.

7. Кузьмин М.Г., Бикеев РА Электромеханические колебания в дуговых сталеплавильных электропечах / Наука и техника, Павлодар: Изд-во ИГУ,- 2001.- № 2.-

8. Vedin A.N., Kuzmin M.G., Bikeev RA Bilateral link between electrodynamics and acoustic phenomenon in super-power arc furnaces // Abstracts of the 5 th Russian - Korean International Symposium on Science and Technology, June 26-July 3,2001,- Tomsk: Tomsk Polytechnical University, 2001.- Vol. L- P. 192 - 194. (Взаимосвязь электродинамических и акустических явлений в сверхмощных дуговых электропечах).

9. Kuzmin M.G., Bikeev RA Electromechanical Oscillations in Arc Steel Melting Furnaces // Proceedings of the 6* Russian - Korean International Symposium on Science and Technology, June 24-30,2002.- Novosibirsk: Novosibirsk State Technical University, 2002.- Vol. 2.- P. 219-222. (Электромеханические колебания в дуговых сталеплавильных электропечах).

10. Kuzmin M.G., Goreva L.P., Bikeev RA Electrotechnology ofsteel production and electrodynamic interactions in arc steel furnace // Proceedings of the 6th International Conference on Unconventional Electomechanical and Electrical Systems, September 2429, Alushta.- Szczecin: Polytechnical University, 2004.- Vol. 3.- P. 1014-1018. (Электротехнология производства стали и электродинамические взаимодействия в дуговой сталеплавильной печи).

С. 31-39.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета формат 60x84/16, объем 125 тираж 100 экз., заказ № 685 подписано в печать 11.11.04

23994

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ И ИССЛЕДОВАНИЙ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ.

1.1. Современное состояние и тенденции развития эксплуатационных показателей ДСП.

1.2. Состояние исследований электромеханических явлений в дуговых сталеплавильных печах.

1.3. Физическая природа низкочастотных и высокочастотных составляющих тока и напряжения в ДСП.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДСП КАК ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ Ь СИСТЕМЫ.

2.1. Общая характеристика ДСП как электромеханической системы.

2.2. Анализ причинно-следственных связей при развитии электромеханических колебаний в ДСП.

2.3. Математическая модель электромеханических колебаний кабельных гирлянд.

2.4. Модель электрической цепи токоподвода ДСП.

2.5. Модель электрической дуги при расчете динамических процессов в цепях ДСП.

2.6. Выбор и реализация модели электропечного контура ДСП.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО РАСПОЛОЖЕНА ПРОВОДНИКОВ КОРОТКОЙ СЕТИ НА ВЗАИМНУЮ ИНДУКТИВНОСТЬ МЕЖДУ ФАЗАМИ.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Численный эксперимент.

3.3. Анализ результатов исследований.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

КОРОТКОЙ СЕТИ В РАБОЧИХ РЕЖИМАХ.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Методика решения систем уравнений для определения углов сдвига между векторами токов и напряжений.

4.3. Исследование влияния фазных токов и взаимных индуктивностей между фазами на динамические активные и индуктивные сопротивления.

4.4. Обсуждение результатов эксперимента.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ КОРОТКОЙ СЕТИ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПЕРЕНОС МОЩНОСТИ ПО ФАЗАМ.

5.1. Постановка задачи.

5.2. Результаты численных экспериментов.

5.3. Обсуждение результатов численных исследований.

5.4. Исследование динамических режимов работы ДСП при различных длинах дуговых разрядов.

ВЫВОДЫ.

t

Дуговые сталеплавильные печи (ДСП) являются основными электрометаллургическими комплексами для получения стали из вторичного сырья и предварительно восстановленной окиси железа (металлизованных окатышей). Развитие оборудования рассматриваемого направления вывело эти электротехнологические агрегаты в категорию самых мощных потребителей электроэнергии с непрерывно изменяющимися по времени активной и реактивной мощностями по фазам. Применение на существующих ДСП трансформаторов мощностью 100- 150МВА определяет необходимость рассматривать эти электропечи как сверхвысокомощные агрегаты при рабочих токах в фазах до 100000 — 150000 А. Вероятностное изменение токов в диапазоне от нуля до токов коротких замыканий в фазах приводит к возникновению переноса мощности по фазам и изменяющихся электродинамических сил, обусловленных электромагнитным взаимодействием токоподводов фаз печи. Эти силы вызывают упругие колебания электромеханической системы, включающей рукава электрододержателей, электроды и гибкую часть токоподводов. Рассматриваемые электромеханические колебания могут вызывать резонансные явления в замкнутой системе автоматического регулирования мощности, что не позволяет работать автоматическому регулятору в оптимальных режимах, снижает вводимую в ДСП активную мощность и ограничивает дальнейшее развитие ДСП.

Используемые методы создания и эксплуатации сверхмощных ДСП до настоящего времени базируются на традиционных подходах к анализу и выбору эксплуатационных режимов на основе статических электрических и рабочих характеристик дуговых печей. Увеличение вводимой мощности потребовало не только изменения конструктивных решений ДСП, но и показало, что сверхмощные ДСП необходимо рассматривать как электромеханическую не-fr симметричную трехфазную систему с непрерывно изменяющимися параметрами в реальном времени.

Существенная потребность в совершенствовании сверхмощных ДСП и необходимость оптимизации их эксплуатационных характеристик определило цели и задачи этой работы.

Таким образом, целью работы является исследование динамических режимов работы сверхвысокомощных ДСП при различных конструктивных исполнениях узлов; исследование причин и диапазонов изменения индуктивных сопротивлений фаз при наличии мощности искажения, переноса мощности по фазам и электромеханических колебаний в системе электрод - электрододер-жатель - кабельная гирлянда; разработка методов стабилизации электрических режимов при условии максимального введения мощности в рабочее пространство электропечей.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Анализ современного состояния проблемы преобразования электрической энергии в тепловую в сверхвысокомощных ДСП на основе обобщенной схемы внутренних взаимосвязей в трехфазной несимметричной системе токо-подводов при наличии сопряженных электромеханических колебаний электродов, электрододержателей и кабельных гирлянд и переноса мощности по фазам.

2. Исследование влияния динамической индуктивности отдельных фаз в трехфазной сопряженной электромеханической системе электроды — электро-додержатели - кабельные гирлянды на электрические режимы и эксплуатационные характеристики ДСП.

3. Экспериментальные исследования изменений интегральных индуктивных сопротивлений ДСП в процессе плавки.

4. Разработка математической модели электромеханических колебаний кабельных гирлянд токоподвода как основного динамического участка электрической цепи ДСП.

5. Исследование переноса мощности по фазам в несимметричной трехфазной системе токоподвода ДСП при наличии электромеханических колебаний и генерировании высокочастотных и низкочастотных составляющих токов.

6. Комплексное исследование ДСП как электромеханической системы, имеющей изменяющиеся во времени индуктивные сопротивления несимметричных фаз токоподводов и электродов; разработка методов расчетных оценок эксплуатационных характеристик при условиях снижения до минимума переноса мощности по фазам и изменений индуктивных сопротивлений как управляющего воздействия на электрические режимы работы ДСП.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции "Проблемы энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках" (г. Тверь, 2001 г.), на международных симпозиумах "The Russian - Korean International Symposium on Science and Technology" (третий - г. Новосибирск, 1999 г.; пятый - г. Томск, 2001 г.; шестой - г. Новосибирск, 2002 г.), на международном коллоквиуме "Modeling for Electromagnetic Processing" (Hanover, 2003 г.), конференции "Интеллектуальный потенциал Сибири" (г. Новосибирск, 1995 г.), межвузовской научной конференции "Электротехника, электромеханика, электротехнологии" (г. Новосибирск, 2001 г.), научных конференциях аспирантов и молодых ученых (г. Новосибирск, 1998, 1999 гг.).

Публикации. Результаты выполненных исследований опубликованы в 10 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация содержит 229 страниц текста, 57 рисунков, 29 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 98 наименований, приложения.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что перенос мощности по фазам имеет динамический характер и определяется также как и динамические сопротивления фаз - изменением в процессе работы установки взаимного геометрического расположения проводников короткой сети при вертикальном перемещении электродов, электромеханических колебаний в системе, несвоевременного или некачественного перепуска электродов.

2. Показано, что увеличение или уменьшение уровня динамических активных и индуктивных сопротивлений фаз короткой сети приводит к увеличению или уменьшению, соответственно, активной мощности дугового разряда в каждой фазе и, как следствие, к увеличению или уменьшению суммарной активной мощности, вводимой в рабочее пространство. При этом суммарная активная мощность, вводимая в рабочее пространство рассматриваемой электропечи, изменяется в сторону увеличения до 1500 кВт или в сторону уменьшения до 2500 кВт.

3. Установлено, что при изменении тока в одной из фаз в широком диапазоне (от токов близких к холостому ходу до токов близких к короткому замыканию) при протекании по фазам несимметричных токов происходит изменение принадлежности "диких" и "мертвых" дуговых разрядов фазам установки. Причем изменение принадлежности "диких" и "мертвых" дуговых разрядов фазам установки в районе малых токов приводит к тому, что "дикий" дуговой разряд будет принадлежать фазе непосредственно отстающей от фазы, которой принадлежал "дикий" дуговой разряд до момента коллизии; в районе больших токов картина меняется на противоположную - "дикий" дуговой разряд будет принадлежать фазе непосредственно опережающей фазу, которой принадлежал "дикий" дуговой разряд до момента коллизии.

4. Анализ процессов переноса мощности, протекающих в проводниках вторичного токоподвода ДСП, наиболее правильно проводить с позиции источник питания (электропечного трансформатора), который обеспечивает не только мощность сосредоточенную в проводниках каждой фазы вторичного токоподвода и дуговых разрядах, но и мощность переносимую (за счет электромагнитной связи) на участке короткой сети из одной фазы в другую фазу.

5. Показано, что вектор ЭДС взаимной индукции, возникающий благодаря электромагнитной связи проводников короткой сети различных фаз, не компенсирует падения напряжений на собственных активных и индуктивных сопротивлениях, а одновременно сосуществует с ними в цепи.

6. Автоматические регуляторы импедансного типа приводят к снижению асимметрии мощности по фазам трансформатора (до уровней менее 5%), однако не устраняют явления "диких" и "мертвых" дуговых разрядов со всеми их негативными последствиями.

7. Установлено, что рассматриваемые процессы переноса мощности выступают в качестве одной из причин, определяющих развитие колебательных процессов, которые наблюдаются на промышленных электропечах и выражаются в непрерывных изменениях токов и напряжений в значительных диапазонах действующих значений. Причем электромеханические характеристики ДСП определяются не изменениями градиента потенциала в дуговом разряде (градиент потенциала в столбе дуговых разрядов не может иметь значения 2030 кВ/м; эта величина изменяется в диапазоне от 1.5 кВ/м до 5 кВ/м), как это считалось до настоящего времени, а электродинамическими процессами в системе дуга - электрод - электрододержатель - гибкие кабели с учетом механических свойств каждого токоведущего участка цепи. Дуговые разряды обеспечивают в электродинамических процессах только функции преобразования электрической энергии в тепловую и являются источником первичных возмущений протекающих в цепи токов.

8. Показано, что использование в эксплуатации электропечей только крайних режимов работы: ярко выраженных "коротких" или "длинных" дуговых разрядов, приводит к суммарному снижению активной мощности на 7-9 МВт по сравнению с режимами средней длины дуги и, следовательно, соотношений U^/Ifi. Таким образом установлено наличие оптимального значения Uf/If) между двумя "крайними" режимами работы ДСП, определяющего режимы максимального введения активной мощности в рабочее пространство ДСП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Теоретическими и экспериментальными исследованиями показано, что ДСП является электромеханическим агрегатом, способным самогенерировать и поддерживать низкочастотные и высокочастотные составляющие токов и напряжений и имеет изменяющиеся во времени индуктивные сопротивления.

2. Разработана обобщенная схема ДСП как электромеханического объекта со взаимосвязанными колебательными контурами, которая позволила создать методы расчетов и обработки экспериментальных результатов исследований для диагностики несинусоидальных кривых напряжений и токов в несимметричной трехфазной системе ДСП с учетом процессов переноса мощности по фазам, изменяющихся во времени. Установлено, что изменения индуктивщ ностей во времени за счет изменения пространственно - механических соотношений в системе приводит к колебательным увеличениям токов до величин, соизмеримых с токами коротких замыканий в фазах; электромеханические процессы в системе ДСП проявляются как усилители токов первичных возмущений, возникающих в рабочем пространстве электропечей.

3. Предложен метод расчета, позволяющий получать обобщенные характеристики изменения во времени взаимоиндуктивных связей на участке кабельных гирлянд при наличии электромеханических колебаний, динамических индуктивностей фаз и в целом короткой сети при вертикальном перемещении фаз, абсолютных значений индуктивных сопротивлений фаз короткой сети в реальном масштабе времени, среднефазных индуктивных сопротивлений, коэффициента асимметрии, мгновенных значений активной мощности в различных фазах.

4. Проведен обобщенный анализ и сравнение нового технического решения для ДСП - токоподводящих рукавов электрододержателей, при различных конструктивных исполнениях для базовой электропечи ДСП-100И7 с ранее использованными техническими решениями электрододержателей с токо-ведущими трубами.

Численные эксперименты на базовой для отечественной электротермии электропечи ДСП-100И7 показали, что интегральное индуктивное сопротивление триангулированной короткой сети в существующем конструктивном исполнении с токоведущими трубами на рукавах электрододержателей на 10 - 15 % больше, чем индуктивное сопротивление короткой сети электропечи с токоведущими рукавами, выполненными в триангулированном (Хср ф = 3.4299 мОм), копланарном вариантах с трубчатой петлей на среднем рукаве (Хср ф =3.4654 мОм) или без петли (Хсрф =3.3422 мОм). Применение в короткой сети ДСП-100И7 копланарного токоподводящего рукава без специальных мер по симметрированию короткой сети приводит к появлению существенной несимметрии, достигающей 11%. Конструктивное исполнение средней фазы токоподвода с использованием трубы-петли позволяет снизить коэффициент асимметрии практически на порядок.

5. Доказано, что процессы переноса мощности по фазам имеют динамический характер; в период плавки за счет изменения пространственного расположения в системе электроды - электрододержатели - гибкие кабели, вертикальных и горизонтально-колебательных перемещений мертвая и дикая фазы могут меняться местами или сдвигаться на одну фазу в направлении или против направления следования фаз в трехфазной сети. При этом диапазон изменения активной мощности, вводимой в электропечь, может достигать 4000 кВт.

6. Установлено, что стабилизация режимов работы ДСП при наличии электромеханических процессов в системе невозможна только с использованием существующих на электропечах систем автоматического управления вертикальным перемещением электродов.

7. Предложено использовать для управления процессами преобразования электрической энергии в тепловую в сверхвысокомощных ДСП два независимых, но взаимосвязанных контура автоматического управления режимами работы ДСП: управление динамическим сопротивлением фаз с целью его стабилизации в оптимальных диапазонах значений в реальном времени, а также увеличения напряжений на дугах и управление активными сопротивлениями дуг путем вертикального перемещения электродов.

8. Разработан математический аппарат для создания алгоритмов управления энергетическими режимами ДСП и алгоритмов диагностики с учетом электромеханических свойств конкретного объекта (массы, жесткости и динамических характеристик) и назначения электропечей (плавки шихты с различной насыпной массой).

9. Разработаны инженерные средства оценки диапазонов изменения параметров сверхмощных ДСП с учетом их динамических изменений в отдельные периоды плавки в реальном времени за счет электродинамического переноса мощности и электромеханических колебаний в системах дуговые разряды - электроды - электрододержатели - кабельные гирлянды.

1. Лопухов Г.А. Передовые технологии электросталеплавильного производства // Электрометаллургия, 1999, №8,- С. 2-40.

2. Robertson S. // New Steel. 1995. №5. P. 44-48.

3. Bowman В. // Iron and Steel Engineer. 1995. 76, №6. P. 26-29.

4. Metal Bull. Mon. 1995. October. P. 31, 33, 35.

5. McManus G.J. // Iron and Steel engineer. 1996. 77, №12. P. 62-64.

6. Лопухов Г.А. // Производство чугуна и стали. Том 18 ("Итоги науки и техники. ВИНИТИ АН СССР). М.: 1988. С. 3-58.

7. Dolle G. // Rev. met. (Fr.) 1995. 92, №10. P. 1177-1186.

8. Лопухов Г.А., Кацов Е.З. // Производство чугуна и стали. Том 19 ("Итоги науки и техники. ВИНИТИ АН СССР"). М.: 1989. С. 3-88.

9. Лопухов Г.А. // Новости черной металлургии за рубежом. 1997. №2. С. 38-56.

10. Steel Times Int. 1991. 219, №6. P. 310.

11. Steel Times Int. 1999. 23, №1. P. 28, 30.

12. Steel Times Int. 1995. 223, №6. P. 220-223.

13. Berry B. //New steel. 1996. Jan. P. 66-69.

14. Ritt A. //New Steel. 1995. July. P. 20-24.

15. Попов A.H. Отечественное электронное оборудование нового поколения для электросталеплавильного комплекса годовой производительностью до 1,2 млн.т. // Электрометаллургия, 2000, №7.- С. 2-9.

16. Стомахин А.Я. Современный технический уровень и перспективы развития электросталеплавильного производства// Труды III конгресса сталеплавильщиков. -М.; 1996.- С. 175-183.

17. Афонин С.З. Место сталеплавильного производства в структурной перестройке металлургии России // Труды III конгресса сталеплавильщиков. -М., 1996.

18. Минеев А.Р., Игнатова Ю.И. Влияние работы электрометаллургических установок на качество напряжения сетей электроснабжения // Электрометаллургия, 2000, №8,- С. 7-12.

19. Минеев А.Р., Рубцов В.П. Статические и динамические показатели качества работы электротехнических установок (на примере электропечей) // Электротехника, 2000, №1.- С. 42-51.

20. Bardeuheuer P.W., Henders S. "Proc. Metal. Bull. 2nd Jnt. Mini Mill Conf., Vienna, March 8-9, 1982", Worcester Park, 1984, y(l) y(16), (РЖМет, 1986, 1B217).

21. Schoenfelder G., Pearce Y., Kunze G. "5th Jnt. Iron and Steel Congr.: Proc. 69th Steelmak. Conf. Vol. 69: Wachington Meet., Arc. 6-9, 1986". Warren-dale, Pa, 1986, 929-938, (РЖМет, 1988, 7B321).

22. Kishida Т., Yuasa G., Sugiura S. "Restruct. Steelplants Ni-neties: Proc. Conf., London, 14-16 May, 1986". London, 1986, 265-274, (РЖМет, 1988, 1B278).

23. Tomizawa F., Howard E. "Iron and Steel Eng.", 1985, 62, №5, 34-37(РЖМет, 1986, 1B216).

24. Развитие электросталеплавильного производства в условиях Молдавского металлургического завода / А.В. Кутаков, И.В. Деревянченко, Б.В. Казанцев и др.- Сталь, 2000. №1,- С.23-32.

25. Белитченко А.К., Богданов Н.А., Кутаков А.В. и др. // Сталь, 1999, №1,- С. 28-32.

26. Егоров А.В., Сталь. 1997. №3,- С. 27-31.

27. Савицки А. О выборе рациональной конструкции ДСП постоянного тока.- Электрометаллургия, 2000, №8.- С. 13-19.

28. Производство стали в дуговых печах.- М.: Металлургия, 1967.

29. Shwabe W.E., Robinson C.G. Developemenys of large steel furnaces from 100 to 400 capacity,- VII Congress UIE, Warsaw, 1972.

30. Смоляренко В.Д. Высокомощные дуговые сталеплавильные печи. / Библиотека электротермиста М., "Энергия", 1976. - 104 с.

31. Сапко А.И., Коваль Н.В. Исследование динамики электрододержателей высокомощных дуговых печей // Высокомощные электропечи и новая технология производства стали. М., 1981,- С. 19-26.

32. Хасин К.М., Салмин В.В. Опыт внедрения сверхмощной дуговой сталеплавильной печи // Электротехн. пром-сть. Сер. Электротермия,-1975,-№5.

33. Хасин К.М. Исследование динамических свойств и разработка параметров и конструкций высокомощных дуговых сталеплавильных печей: Дисс. канд. техн. наук.- Новосибирск.: НГТУ, 1979.

34. Bregeault, Fabre, Malgat, Meunaud. Aspects techniques et commerciaux des problems qui se posent a une entreprise publique de distribution d'energie elec-trique. VI Congres International d'Elektrothermie, 1968. - 503.

35. Keller R. Massnahmen zur Verringerung der von Lichtbogenofen bewirten Spanungsschwankungen. "V Internationaler Elektrowarme-Kongress", 1963.145.

36. Ziguzi T. Problems of lamp flicker caused by large electric arc-furnaces for steel production in Japan. V International Congress on Electro-heat, 1963. -143.

37. Фабер X., Тимм К. Причины периодических колебаний напряжения в дуговых электрических печах // Черные металлы.- 1982.- №4.

38. Михеев А.П., Смелянский М.Я., Минеев Р.В., Бершицкий М.Д. Снижение влияния работы ДСП на качество электроэнергии в промышленных сетях // Электротехн. пром-ть. Сер. Электротермия. 1971. - № 107.

39. Bisiach L. и др. Технический и эксплуатационный опыт снижения помех от дуговых печей высокой мощности. Конференция CIGRE. Париж, 1992.

40. Бедин М., Романо М. Дуговая печь с питанием через насыщающийся реактор // Электрометаллургия 2004- №4

41. Maduel F., Bowman В. Влияние подключения реактивного сопротивления на работу печи в Celsa. 4-й Европейский конгресс по электростали. Мадрид, 1992.

42. Пельц Б.Б., Орлов Г.И., Давыдов В.П., Смоляренко В.Д. Перспективы развития крупных дуговых сталеплавильных печей для черной металлургии // Электротехн. пром-сть. Сер. Электротермия,- 1984. №5. - С.З.

43. Астапенко Э.С. Системы автоматического регулирования электрического режима дуговых сталеплавильных печей: Автореф. дис. канд. техн. наук.-Томск, 1984.

44. Сапко А.И., Коваль Н.В., Салмин В.В., Петров В.И. Устройства и способы демпфирования электродинамических колебаний электродов СВМ ДСП // Освоение новых высокомощных электропечей.- М, 1982.- С. 44-49.

45. Стомахин А.Я. Современный технический уровень и перспективы развития электросталеплавильного производства // Труды III конгресса сталеплавильщиков, М., 1996.

46. Хушка X., Мюллер X. Сравнительный анализ электросталеплавильных дуговых печей переменного и постоянного тока // Труды III конгресса сталеплавильщиков, М., 1996.

47. Федосеенко В.А., Затаковой Ю.А., Клачков А.А. Модернизация сталеплавильного производства // Труды III конгресса сталеплавильщиков, М., 1996.

48. Untersushung elektromeshanischer Schwingungen der Elektroden-Tragarm -Systeme von Lichtbogenofen / Timm К // VDI-Ber.- 1992 №957.-S. 59-76.

49. Федосеев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1974.

50. Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки спецнагрева / Под ред. А.Д. Свенчанского.- М.: Энергоиздат, 1981.

51. Сапко А.И., Коваль Н.В. Упругие колебания электродов на дуговой печи // Электротехн. пром-сть. Сер. Электротермия.- 1975. №4. - С. 6-7.

52. Елманова Л.П. Исследование и расчет электромеханических колебаний в дуговых сталеплавильных электропечах с целью оптимизации режимов работы и совершенствования конструкций: Автореф. дисс. канд. техн. наук.-Новосибирск, 1996.

53. Ehte J., Timm K., Remus В., Knapp H. Vibrational analysis and first operational results of current conducting elektrode arms on 400-t arc furnaces. / Elec-trowarme international.- 1991.- №1,- S. B54-B60.

54. Городницкий Ю.И., Коваль H.B., Некоркин Ю.Е. Математическое моделирование и оптимизация // Тр. Нижегородский гос. университет.-Н. Новгород, 1991.- С. 147-160.

55. Защита от вибраций и ударов / В.К. Австашев и др.; Под ред. К.В. Фролова,- М.: Машиностроение, 1995.- т.6 -456 с.

56. Kadar I.I., Biringer P.P. The influence of cable swings on the electrical parameters of flexible cables.- Conf. Rec. IEEE Ind. Appl. Soc. Annu. Meet.: Pap. Ind. Appl. Conf. 25 th, Seattle, Wash., Oct. 7-12, 1990. Pt 2 New York, 1990,-P. 2031 -2035.

57. Тесля Н.Б. Исследование электромеханических характеристик гибких токоподводов дуговых сталеплавильных печей и разработка технических требований к их конструкциям: Автореф. дисс. канд. техн. наук.- Новосибирск, 1998.

58. Гордиенко В.А. Особенности и повышение эффективности управления электрическим режимом дуговых сталеплавильных печей высокой мощности: Автореф. дисс. канд. техн. наук. М.: ВНИИЭТО, 1986.

59. Чередниченко B.C., Бикеев Р.А., Горева Л.П. и др. Математическое моделирование электромеханических процессов в дуговых сталеплавильных электропечах // Научный вестник НГТУ,- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004,-№2(17).- С. 141-158.

60. Ведин А.Н., Тесля Н.Б., Бикеев Р.А. Физическая природа возмущений электрического режима дуговой электропечи // Экологически перспективные системы и технологии.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1998.- Вып. 2,-С. 86-90.

61. Чередниченко B.C., Елманова Л.П. Электродинамика трехфазных систем дуговых сталеплавильных электропечей // Электротехнологические процессы и установки: Сб. научн. тр. / Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1995.1. С. 3-19.

62. Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов.- М., "Высшая школа", 1975.

63. Защита от вибраций и ударов / В.К. Австашев и др.; Под ред. К.В. Фролова.- М.: Машиностроение, 1995.- т. 6.- 456 с.

64. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле / Пер. с англ. Я.Г. Пановко.- М., "Наука", 1967.

65. Халявский Г.Б. Расчет электродинамических усилий в электрических аппаратах,- Л.: Энергия, 1971.- 156 с.

66. Карацуба Л.А., Карацуба А.С. Электродинамические усилия в системах проводников с учетом их пространственного расположения.- Киев, 1977.52 е.- (Препринт / АН УССР. Ин-т электродинамики; №140).

67. Денис Б.Д., Марущак Я.Ю. Математическая модель электропечной установки для расчетов электрических режимов ДСП на ЦВМ // Тез. докл. IV Всес. научн. техн. совещания по электротермии и электрическому оборудованию.- М.: Инфорэлектро, 1979.- С.184-186.

68. Денис Б.Д., Марущак Я.Ю. Математическая модель системы питания дуг для расчетов стационарных электрических режимов ДСП // Изв. вузов.-Энергетика.- 1987,- №7,- С. 32-36.

69. Смоляренко В.Д. Электрические характеристики ДСП с переменной реактивностью // Электротехническая промышленность. Сер. "Электротермия". - 1979, Вып. 11(207).- С. 14-15.

70. Хаинсон А.В. Метод расчета электрической цепи ДСП Электроэнергетика. - 1983, - №7 - С. 8-11.

71. Mayer D. Simulation of dynamic properties of on arc furnace on a computer // ActaTechn. CSAN.- 1982,- 27.- №5.- P. 622-633.

72. Марущак Я.Ю., Опышко А.А. Анализ точности определения уставок регулятора ДСП // Электроэнергетические и электромеханические системы. Вестн. Львов, политехи, ин-та.- 1986,- №204,- С. 46-48.

73. Свенчанский А.Д., Цуканов В.В. Модель дуги при расчете динамических процессов в цепях ДСП // Математическое моделирование и расчет дуговых и плазменных сталеплавильных печей; ВНИИЭТО.- М., 1983.- С. 41-44.

74. Марков Н.А. Электрические цепи и режимы дуговых электропечных установок,-М.: Энергия, 1975.

75. Кручинин A.M., Пешехонов В.И., Лазуткин Ю.В. Расчет постоянной времени дуги на цифровых ЭВМ // Математическое моделирование и расчет дуговых и плазменных сталеплавильных печей; ВНИИЭТО.- М., 1983.

76. Хаинсон А.В. Развитие методов расчета и оптимизации электрических параметров и режимов работы дуговых сталеплавильных печей на основе автоматического проектирования: Автореф. дисс. канд. техн. наук / ВНИИЭТО,-М., 1983.

77. Алексеев С.В., Трейвас В.Г. Статистические характеристики токов дуговых сталеплавильных печей.- Изв. вузов. Электромеханика,- 1971,- № 1, с. 17-23.

78. Смелянский М.Я., Минеев Р.В., Михеев А.Л. Вероятностные характеристики пульсаций тока мощных дуговых электропечей. // Электричество,-1974.-№4, с. 65-68.

79. Хаинсон А.В., Дорогин В.И., Пирогов Н.А. Исследование электрических режимов дуговых сталеплавильных печей с учетом случайных колебаний напряжений дуг // Электротехника.- 1983.- № 7,- с. 11 — 13.

80. Математическая статистика: Учебник / Иванова В.М., Нешумо-ва Л.А. и др.- 2-е изд. перераб. и доп.- М.: Высшая школа, 1981.-371 с.

81. Короткие сети и электрические параметры дуговых электропечей. Справочник / Под ред. Я.Б. Данциса.- М.: Металлургия, 1987.

82. Хаинсон А.В., Трейвас В.Г., Пирогов Н.А. Математическое моделирование вторичного токоподвода дуговых электропечей // Электротехн. пром-ть. Сер. Электротермия,- 1979.- с. 10-12.

83. Пирогов Н.А. Расчет на ЭВМ индуктивного сопротивления вторичных токопроводов дуговых сталеплавильных печей // Труды ВНИИЭТО,- М.: Энергия.- вып. 10.- 1979.- с. 102-111.

84. Цейтлин J1.A. Индуктивность проводов и контуров.- Jl.-М.: Госэнер-гоиздат, 1950.

85. Калантаров П.Л., Цейтлин J1.A. Расчет индуктивностей.- М.: Энергия, 1970.

86. Кузьмин М.Г., Бикеев Р.А. Электромеханические колебания в дуговых сталеплавильных электропечах / Наука и техника, Павлодар: Изд-во ПГУ,2001,-№2,-С. 31-39.

87. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. М., Гостехиздат, 1954, 608 с.

88. Копченова Н.В., Марон И.А. Вычислительная математика в примерах и задачах. М., Наука, 1972, 369 с.

89. Агеев М.И., Алик В.П., Марков Ю.И. Библиотека алгоритмов 516 -1006. М., Советское радио, 1976, 133 с.

90. Поволоцкий Д.Я., Гудим Ю.А., Зинуров И.Ю. Устройства и работа сверхмощных дуговых сталеплавильных печей. М.: Металлургия, 1990.- 174 с.

91. Никольский А.Е., Зинуров И.Ю. Оборудование и проектирование электросталеплавильных цехов. М.: Металлургия, 1993,- 272 с.