автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование и исследование системы управления током электродуговой печи

На правам рукописи

00501636»

КАРПУХИН КОНСТАНТИН ЕВГЕНЬЕВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТОКОМ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЕЧИ

Специальности 05.13.18 -Математическое моделирование, численные

методы и комплексы программ 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 МАЯ 2012

Ульяновск - 2012

005016368

Работа выполнена на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет»

Научный руководитель:

Доманов Виктор Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Ульяновского государственного технического университета.

Официальные оппоненты:

Туищев Алексей Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизация технологических процессов и производств» Тольятгинского государственного университета,

Коваль Михаил Иванович, кандидат технических наук, директор по маркетингу ЗАО «Фрест», г. Ульяновск.

Ведущая организация:

Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Защита диссертации состоится 23 мая 2012 г. в 12 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д212.277.02 при Ульяновском государственном техническом университете по адресу: 432027, г. Ульяновск, ул. Северный венец, 32 (ауд. 211, главный корпус)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного технического университета

Автореферат разослан «

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

В. Р. Крашенинников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время получили широкое распространение дуговые сталеплавильные печи постоянного тока (ДСППТ) как основные агрегаты для выплавки качественных металлов. В дуговых печах постоянного тока в качестве управляющих воздействий могут использоваться изменения длины дуги или величины питающего напряжения. Однако, построение мощных регулируемых источников питания ДСППТ связано со значительньми материальными затратами, которые для печей малой емкости сопоставимы со стоимостью самой печи. Поэтому в ДСППТ малой емкости в качестве одного из вариантов источника питания используют печной трансформатор с неуправляемым выпрямителем, а управление электрическим режимом осуществлять только изменением длины дуги.

Процесс плавки металла в такой печи сопровождается изменением параметров силовой цепи, которое ведет к увеличению пульсаций силового тока, эксплуатационным коротким замыканиям и обрывам дуги. Это приводит к срабатыванию защиты, увеличению времени плавки и снижению энергетической эффективности установки.

В связи с этим необходимо решать вопросы модернизации и совершенствования систем управления ДСППТ. Эти задачи можно решить созданием математических моделей основных узлов системы и объекта исследований, изучения условий возникновения и существования дуги, синтеза системы управления и ее элементов с низкой чувствительностью к параметрическим возмущениям. Исследование и синтез систем управления дуговыми печами проводили такие отечественные авторы, как Ю. М. Миронов, А. Д. Свенчанский, В. П. Рубцов и др. В первую очередь они рассматривали вопросы, связанные с энергетикой и управлением мощностью, что актуально для печей большой мощности.

Разработкой математических моделей электродуговых печей и отдельных узлов занимались такие ученые как Салтыков В. М., Вахнина В. В., Кожеуров В. Н., Елизаров К. А. и др.

В диссертационной работе рассматривается система управления током дуги для печей небольшой мощности (объемом до 400 кг). В таких печах в большинстве случаев отсутствует плавное регулирование напряжения. Поэтому управление током дуги является единственным каналом воздействия на процесс плавки. Таким образом, создание математических моделей элементов системы и процессов, связанных с существованием дуги, является актуальной задачей.

Одним из возможных путей снижения пульсаций в контуре регулирования является разработка системы управления с низкой чувствительностью к изменениям параметров силовой цепи ДСППТ. Для снижения чувствительности системы управления к изменяющимся параметрам и снижения пульсаций силового тока предложена структура с узлом упреждающей коррекции, разработанной в УлГТУ Боровиковым М. А. Система, построенная таким образом, становится частично инвариантной, что позволяет сохранить высокое быстродействие при изменяющихся параметрах.

Решение задачи построения системы управления током ДСППТ требует создания математической модели объекта управления, синтеза структуры, удовлетворяющей технологическим требованиям, разработки датчиков и их математических моделей, обеспечивающих работу системы управления.

Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности электродуговой печи путем совершенствования системы управления током дуги с элементами упреждающей коррекции.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Разработка математической модели системы управления током электродуговой печи и отдельных ее элементов: электрогидравлического привода перемещения электрода, электрической дуги постоянного тока, устройства упреждающей коррекции.

2. Разработка программного комплекса, позволяющего исследовать математическую модель системы управления током электродуговой печи в различных режимах работы в условиях изменяющихся параметров силовой цепи.

3. Разработка технических средств управления током дуги:

- датчика скорости перемещения электрода, обладающего высокой чувствительностью к измеряемому сигналу и помехозащищенностью.

- алгоритма управления электрогидравлическим приводом перемещения электрода, позволяющего минимизировать зону нечувствительности и уровень пульсаций скорости исполнительного механизма.

- алгоритма и схемы подавления колебаний силового тока ДСППТ.

4. Подтверждение адекватности разработанной математической модели системы управления электродуговой печи и эффективности технических решений, направленных на повышение стабильности режимов работы.

Новизна положений диссертации, выносимых на защиту

1. Разработана математическая модель системы управления током электродуговой печи, позволяющая исследовать динамические режимы системы управления током электродуговой печи в различных режимах работы в условиях изменяющихся параметров силовой цепи.

2. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны математические модели элементов и технические средства управления током дуги:

- датчик скорости перемещения электрода, обладающий высокой чувствительностью к измеряемому сигналу и помехозащищенностью.

- алгоритм управления электрогидравлическим приводом перемещения электрода, позволяющий минимизировать зону нечувствительности и уровень пульсаций скорости исполнительного механизма.

- алгоритм и схема подавления колебаний силового тока ДСППТ.

3. Разработаны структурная и принципиальная схемы САУ электродуговой печи, отличающейся пониженной чувствительностью к изменяемым параметрам силовой цепи в процессе плавки металла.

Практическая ценность

1. Использование разработанной модели системы управления током электродуговой печи и результатов моделирования позволяет повысить точность регулирования тока дуги в автоматическом режиме на 12% по сравнению с традиционной системой управления.

2. Применение разработанного алгоритма и специальной программы управления электрогидроприводом перемещения электрода позволяет повысить плавность движения исполнительного механизма на низких скоростях на 50% по сравнению со штатным алгоритмом управления.

3. Применение алгоритма подавления колебаний силового тока позволяет снизить колебательность тока дуги и, как следствие, повысить энергетическую эффективность и уменьшить время плавки металла.

4. Применение упреждающей коррекции позволяет на 40% сократить количество обрывов дуги, повысить точность регулирования, на 40% снизить составляющую «больших» токов (1>2400А).

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы внедрены:

1. В составе системы управления ДППТ-0,1 на предприятии ООО «НПК «Специальные технологии литья» (г. Ульяновск).

2. В виде опытного образца блока управления пропорциональным гидрораспределителем на предприятии ОАО «Гидроаппарат» (г. Ульяновск).

3. При выполнении проекта по программе «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «Разработка и изготовление макета перспективной системы управления электродуговой печи».

Методы исследования

Теоретические исследования проведены с использованием математического моделирования на ЭВМ, основных положений теории электрических цепей и теории автоматического управления. Анализ динамики САУ электродуговой печи выполнен при помощи натурного эксперимента на реальном объекте и на ЭВМ с применением программного комплекса МВТУ.

Достоверность

Достоверность разработанных научных положений и выводов обеспечивается корректным применением законов электротехники, электро- и гидромеханики, строгими математическими выкладками при решении операторных и дифференциальных уравнений, адекватность разработанной математической модели подтверждается близостью результатов математического моделирования и экспериментов на реальной печи.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих НТК:

1. X Международная научно-техническая конференция «Информационно вычислительные технологии и их приложения», г. Пенза, 2009 г.

2. XI Международная научно-техническая конференция «Информационно-вычислительные технологии и их приложения», г. Пенза, 2009 г.

3. XII Международная научно-техническая конференция «Информационно-вычислительные технологии и их приложения», г. Пенза, 2010 г.

4. VI Международная (XVII Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу «АЭП-2010», г. Тула, 2010 г.

5. Международная научно-техническая конференция «Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах», г. Севастополь, 2010 г.

6. Региональная научно-техническая конференция УлГТУ, г. Ульяновск, 2010 г., 2011г.

7. Всероссийская выставка научно-технического творчества НТТМ-2009, Москва, 2009 г., 2010 г.

8. Международный салон инноваций и инвестиций, Москва, 2009 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 16 работ, из них 4 тезисов докладов, 3 патента Российской Федерации, 8 статей в изданиях из перечня ВАК. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (99 наименований) и приложений (12 страниц), включает 139 страниц машинописного текста, 89 рисунков и 6 таблиц. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации носит обзорный характер. В ней представлено краткое описание технологического процесса плавки металла в ДСППТ, самой печи и ее узлов.

Отклонения от заданного электрического режима ДСППТ устраняются перемещением подвижного электрода, привод которого в большинстве случаев выполняется электрогидравлическим.

На ДСППТ действуют управляющие и возмущающие сигналы, которые изменяют ее режим работы. Изучением этих вопросов с различных позиций занимались Сисоян Г. А., Свенчанский А. Д., Миронов Ю. М. и др. За основу берется функциональная зависимость £/д =/(/д,/д), связывающая напряжение дуги с ее длиной и протекающим током. Практически все исследователи отмечают отсутствие единого математического описания электрической дуги. Это связано с большим количеством факторов, влияющих на ее характеристики: газовый состав, давление, материалы электродов, режимы теплообмена и др.

В различных вариантах модель дуги в ДСППТ исследовалась в работах Миронова Ю. М., Кожеурова В. Н. и др. Авторы рассматривают установившиеся или квазиустановившиеся (дуга переменного тока) режимы. Однако дуга в ДСППТ имеет явно выраженную нелинейную характеристику, что существенно влияет на динамические свойства системы регулирования

тока. Поэтому разработка математической модели дуги, позволяющей учесть ее нелинейные зависимости, является актуальной задачей при построении системы управления.

Рассмотрены особенности работы ДСППТ и систем автоматического управления. Приводится анализ существующих решений в области управления дуговыми сталеплавильными печами постоянного тока.

Отмечается, что изменение параметров силовой цепи ДСППТ в процессе плавки ведет к увеличению колебательности силового тока и ухудшению энергетической эффективности процесса плавки металла.

Представлены основные пути повышения показателей качества систем управления током дуги. Одним из возможных путей повышения энергетической эффективности печи является разработка системы автоматического управления током дуги с низкой чувствительностью к изменяющимся параметрам силовой цепи печи, в частности применение упреждающей коррекции в системе управления ДСППТ (рис. 1).

Идея способа упреждающей коррекции поясняется структурной схемой (рис. 1) и заключается в том, что для компенсации влияния некоторых звеньев ТУХ на устойчивость замкнутой системы необходимо входной сигнал X, пропустить через безынерционное звено Кхм, коэффициент передачи которого желательно принять равным коэффициенту передачи звеньев \УХ, сравнить с выходным сигналом Х2, а результирующий сигнал пропустить через модель звеньев оставшихся вне дополнительного контура, и подать на вход системы как сигнал отрицательной обратной связи. Система, построенная таким образом, становится частично инвариантной, что дает возможность сохранить высокое быстродействие при изменяющихся параметрах.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей узлов системы управления ДСППТ.

Механизм перемещения электрода имеет большое значение для управления электрическим режимом печи, так как его работа определяет качество автоматического регулирования электрического режима плавки, которое, в свою очередь, оказывает влияние на производительность печи, удельный расход электроэнергии. Отклонения электрического режима от

заданного устраняются перемещением электрода. Линеаризованная структурная схема электрогидравлического привода перемещения электрода приведена на рис. 2.

' v

и,

Щ(р)

£Л/

Шр)

ГГ Шр)

Рис. 2. Структурная схема ЭГП где Ж, (р) - усилитель;

Щ{р) - электромеханический преобразователь; Ж3 (р) - гидродвигатель;

Ку0=^у- - коэффициент передачи усилителя,

где из - напряжение задания; IIу - напряжение управления; Хг - смещение золотника гидрораспределителя; 4У

У=— — скорость перемещения поршня гидроцилиндра;

Особенностью электрогидравлического привода является наличие гистерезиса в рабочей характеристике (рис. 3, линия 1). Для управления электрогидравлическим приводом перемещения электрода была разработана программа для микроконтроллера. Применение разработанной программы в составе блока управления приводом перемещения электрода позволяет минимизировать зону нечувствительности исполнительного и исключить гистерезис на рабочем участке характеристики привода.

Разработанная программа содержит следующие модули:

1. Установки начального смещения двух ШИМ-сигналов;

2. Согласованного управления двух ШИМ;

3. Управляемого смещения двух ШИМ-сигналов относительно друг друга;

4. Нормализации сигналов управления.

Формирование ШИМ-сигналов происходит исходя из условий: - если Д£/ет > С/) + Д и, то

У1шах ~ ПО ~ У\п

Ух = Ухо+Ушт1 +

^ех шах ^вх гшп

■ит

У г ~ Угй

Уг шах У2 шга

^еттах ^вхтт

■и..

- если ДС/И < и1 + ДС, то

У1шах_ У1шт ^Т

Уг

^вхшах ^вхтт

У 2 ~ У 20 + У г тщ +

Уг тах ^20 У2т\

^вхтэх ^вхшп

-и.,

-если V, -А17<ДС/<Х <£/, +ДС/, то Л

= Угч \

Работа программы происходит следующим образом. В начальный момент устанавливаются значения

- скважностей и у1тт, которые обеспечивают «ступеньку» компенсации нелинейности трения в момент начала движения и достижения минимальной скорости ГтЬ;

- скважностей у1тт и /2тах, которые обеспечивают достижение заданного значения максимальной скорости Утт;

- зоны нечувствительности входного напряжения Д иа для снижения влияния помех во входном сигнале;

- начальных значений смещений ШИМ сигналов у10 и угй.

Такое управление позволяет снизить пульсации на низких скоростях и уменьшить гистерезис в характеристике гидропривода (рис. 3).

0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55

Ток, А

Рис. 3. Характеристика расхода жидкости от тока управления гидрораспределителя 1 - штатный блок управления, 2 - разработанный блок управления

Видно, что на рабочем участке характеристики разработанного блока (0,2-0,3 А) отсутствует неоднозначность (гистерезис).

Для реализации упреждающей коррекции в составе системы управления ДСППТ необходимо выполнить измерение скорости перемещения электрода. Непосредственное измерение скорости технически затруднительно. Для получения требуемого сигнала иг можно использовать микромеханический датчик, поэтому для вычисления сигнала 1}у необходимо интегрирование выходного

сигнала датчика £7,,=—^, где Иус - сигнал датчика ускорения; р - оператор ТиР

Лапласа; Ти - постоянная времени интегратора.

Известно, что операция интегрирования приводит к накоплению ошибки.

1 _ кл

Поэтому интегрирующее звено заменяется на апериодическое-=>--.

ТИР ТАр+1

Выбор параметров апериодического звена КА я ТА необходимо проводить из условий наибольшего приближения его динамических свойств к характеристикам интегрирующего звена. Для этого требуется совпадение логарифмических частотных характеристик рассматриваемых звеньев в окрестностях частоты среза. Это условие выполняется при соблюдении соотношения

т -Кл Аи ~ т •

В процессе диссертационной работы были проведены измерения параметров дуги исследуемой печи. Для рабочего участка характеристики уравнение ВАХ дуги имеет вид ид =10+3,26/, +3-1(Г31д.

Для нерегулируемого источника Ео по экспериментальным данным построена характеристика 1д= /(1д) (рис. 4).

I

Рис. 4. Зависимость тока дуги от длины дуги: 1МШ - ток обрыва дуги, 1КЗ -расстояние от верхней точки положения электрода до расплава

Для этого случая возможность регулирования непрерывного тока дуги ограничена диапазоном 1ШЫ<1д<1{, где I, - номинальное значение тока используемого электрооборудования.

Математическую модель дуги постоянного тока можно представить следующей системой уравнений:

где Яц - активное сопротивление силовой цепи ДСППТ, Ом; 1Д - ток дуги, А; Ьц - индуктивность силовой цепи ДСППТ, Гн; Е - выпрямленная ЭДС силовой цепи ДСППТ, В; а - приэлектродные падения потенциалов, В; Р - градиент потенциала в столбе дуги, В/мм; / - перемещение электрода, мм; Д/ - случайное изменение длины дуги, мм; 1КР,1КЗ - перемещение электрода, соответствующее обрыву дуги и короткое замыкание.

Следует отметить, что приведенная схема является нелинейной, индуктивность цепи является функцией тока. Кроме того, параметры а, Д Ях существенно зависят от режима работы.

Третья глава посвящена синтезу системы управления током ДСППТ.

ДСППТ является сложным объектом, на который действуют управляющие и возмущающие воздействия. В процессе исследования было проведено моделирование системы управления током ДСППТ (рис. 5).

Н-}

Ч2пг

Модель привода с коррекцией

Модель дуги

кхИ-

Рис. 5. Модель системы управления ДСППТ

Приведенная схема является нелинейной, ее параметры существенно зависят от режима работы и содержат случайную составляющую. Случайная составляющая определяется различными факторами, в том числе процессом обвала шихты во время плавки и вариациями в исходном материале шихты (лом, стружка). Обвал шихты вызывает изменение длины дуги, т.е. проявляется в виде воздействия А!. Исследования на реальной ДСППТ показывают, что в процессе работы происходит изменение параметров в контуре регулирования тока, приводящее к возрастанию уровня пульсаций (рис. 6).

1,А

6000

Рис. б. Осциллограмма силового тока ДСППТ

Необходимо принимать меры по поддержанию высокого быстродействия во всех режимах работы и подавлению колебаний. Одним из возможных путей решения этой задачи является применение упреждающей коррекции. Система, построенная таким образом, становится частично инвариантной, что дает возможность сохранить высокое быстродействие при изменяющихся параметрах.

Для реализации узла упреждающей коррекции необходимо установить датчик скорости и сигнал с него подать на звено модели с постоянной

времени Ти и коэффициентом Ки

Ки

ТМР +1

Структурная схема системы с узлом упреждающей коррекции приведена на рис. 7.

изад.

Шст

1сил

WpT

7^+1 Р

Кост

р

1/Яу

Тхр +1

\Ус4

V

1»

/

р

Ла

у

™С2

Рис. 7. Структурная схема системы регулирования тока ДПУ с узлом упреждающей

коррекции

В диссертации проведено сравнение исходной структуры и структуры с упреждающей коррекцией с точки зрения влияния случайных сигналов на их работу. В результате исследований можно сделать вывод, что дисперсия тока в системе с упреждающей коррекцией меньше, чем в системе с настройкой на технический оптимум.

Было проведено моделирование исследуемой системы при воздействии случайного возмущающего сигнала Д/ и изменении контурного коэффициента. Изменение режима работы ДСППТ приводит к увеличению контурного коэффициента. На рис. 8, рис. 9 приведены результаты моделирования этого процесса для одноконтурной системы и системы с упреждающей коррекцией.

6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

1,А

5

10

Рис. 8. Диаграмма тока ДСППТ в одноконтурной системе К = 2Кн 1,А

6000 5000 4000 3000 2000 1000 о

«.с

10

15

20

25

Рис. 9. Диаграмма тока ДСППТ в системе с упреждающей коррекцией К = 2КН

Видно, что частота пульсаций силового тока в системе с упреждающей коррекцией на порядок ниже, чем в одноконтурной системе.

Параметрические изменения в системе требуют создания системы с низкой чувствительностью к этим изменениям. В работе был произведен анализ рассматриваемых структур по чувствительности показателя колебательности (М).

М--

А(аР)

(1)

А(а = 0)

где А(соР) - значение амплитудной характеристики системы на резонансной частоте.

Для одноконтурной системы с настройкой на технический оптимум передаточная функция имеет вид

Я

■рас

1

щамк(р) =

Л, Р>

'рас Крст

К

2ТС(ТХ + Тх)р2 + 2Тср +1 Т р + 2£7р +1

(2)

где К= ЯрлсР ; Т = ^2ТС(7\ + Тх); ( Гс-&хрраскост уА7! + Тх)

Амплитудная характеристика для рассматриваемой системы известна

т = . 2К 21. (з)

^(Ща)2 + (\-Т2со2)2

дА(а) .

При со = фр эта характеристика принимает экстремальное значение = 0. Нахождение условий экстремума функции а(а>) дает результат

Подставим (4) в (3) и определим значение А(со) А(аР) =-

Используя выражение (1) можно определить показатель колебательности для рассматриваемой системы

Красах _(а/Ях) + ф/4)

ф+У/лх) '

где а=трАС, Ь = ЬХЯРАС, с = 2ТСТХ ¿ = 2ТСЬХ.

Определено влияние изменения Кх на значение показателя

колебательности

„ас . Ьс ас! „Ьй 2—5Г+4—^+-^-+3—т-

8М= Я2Х 4 К (5)

Жх 2(с+—)3'2

кх

Из выражения (5) видно, что снижение Ях в процессе плавки приводит к росту колебательности (рост производной).

Выполнен аналогичный анализ для системы с упреждающей коррекцией. Для этой системы передаточная функция имеет вид

(ТХРАСр+\)!К0СТ__

(Тхр+\)Кх+(ТХРАСР+1)

замк(р) (2ррлскосттс +ЯРАСКм)р

^ РАС ОСТ __

К-рас^ОСТР

Щр+\)!К0СТ а2рг л-ахРл-\

где \ =ТХРАС,а1=аЯх +ТХРАС,а2 = аЬх,а={2РрасКостТс +ЯРАСКМ)1ЯРАСК0СТР.

Амплитудная характеристика для рассматриваемой системы имеет вид

лДа^+С-аУ)2 Нахождение условий экстремума функции А{со) дает выражение

_ I- 2*1 ± № ~ ~ ~ (е>

0>р-,\ А2а2 ■ V)

Сравнение по показателю колебательности М двух структур показывает, что в системе с последовательной коррекцией снижение Их приводит к возрастанию М.

Определены функции чувствительности для двух рассматриваемых структур. Чувствительность системы - это отношение изменения ее передаточной функции к изменениям передаточной функции объекта или параметра этого объекта. Для получения функции чувствительности использовалось правило дифференцирования сложной функции

сс _ оС пО "а —'

где Б^ - чувствительность системы к параметру а в объекте управления;

- чувствительность системы к объекту управления; Б° — чувствительность объекта управления к параметру а.

Рассчитаны функции чувствительности рассматриваемых систем к изменениям Ях. При определении функции чувствительности значение изменяемого параметра принимается номинальным. При этом условии функции чувствительности для системы с последовательной коррекцией Б^ и упреждающей БУК имеют вид

----—=Б^Б°Я, (7)

ТхР+\

у-ад,-—(8)

1+ЖС1Жс^С1ЖсгЖсг Тхр+1 Видно, что формулы (7, 8) отличаются составляющими Б" и Б%. Сравнение различных систем по функциям чувствительности можно провести по виду переходных процессов этих функций или использовать квадратичную интегральную оценку.

Используя известную методику определим квадратичные интегральные

оценки функций Б" и

Бп^>1п=Т1: Бп =>1У-

2 Гс4 2Тс+1

В проведенных ранее исследованиях отмечается, что значение Тс состав-

2 Т4

ляет тысячные доли секунды. Поэтому 1У~-— »27^. Исходя из этого,

2ТС +1

можно сделать вывод, что Iп >1У.

По выражениям функций чувствительности (7, 8) было проведено моделирование, результаты которого приведены на рис. 10. Полученные путем сравнения двух систем результаты позволяют сделать вывод, что применение упреждающей коррекции позволяет понизить чувствительность системы управления ДСППТ к параметру Ях, что повышает стабильность режимов работы, уменьшает уровень пульсации силового тока, в результате чего снижаются потери электроэнергии, в

\

\

\

V

\\

N

Л

N

,041 -.-1 0,07

-"1 —

ч

—

Рис. 10. Диаграммы функций чувствительности для двух систем:

--график функции чувствительности для системы с упреждающей коррекцией;

-----график функции чувствительности для системы с последовательной

коррекцией

Проведенный анализ показывает, что изменение параметров силовой цепи ведет к увеличению колебательности силового тока. Для снижения колебаний силового тока предлагается изменять контурный коэффициент усиления. Упрощенный алгоритм работы такой системы описывается уравнениями

К=К0 приА/0>А/ • К=(К0-АКпшх )=К, при А/>Д/0 К=(К0+АКтилх)^К0 при Д/0>А1 иК<К0 где Д/0 и А1 - допустимое и фактическое значения амплитуды колебаний тока; К0 и К - заданное и фактическое значения коэффициентов усиления; АК — шаг изменения коэффициента усиления; пшх и тшх - максимальные значения шагов снижения и увеличения коэффициента усиления. Функциональная схема системы подавления колебаний приведена на рис. 11.

Рис. 11. Функциональная схема системы подавления колебаний

Работа схемы происходит следующим образом. Осуществляется безударное зажигание дуги и выход на рабочий режим. Силовой ток измеряется с помощью датчика Холла, сигнал с которого поступает в контур управления током и на дифференцирующее звено - датчик колебаний. Полученный сигнал фильтруется и сравнивается с уровнем допустимого значения амплитуды колебаний тока (А/0). Если этот сигнал превышает А/0, то срабатывает компаратор, который запускает формирователь импульсов, сигнал с которого через накапливающий счетчик пошагово снижает значение коэффициента К0 до момента, когда Д/0>Л/, либо до достижения числа шагов пшх. Если в результате этих действий уровень колебаний снизится до выполнения условия Д/0>Д/, то компаратор изменит свое состояние и разрешающий сигнал поступит на элемент «И», на его второй вход поступает разрешающий сигнал по условию К<К0. Элемент «И» срабатывает и запускает цепь «формирователь импульсов — счетчик», которая начинает увеличивать значение К.

При расплаве различных металлов графики силового тока существенно меняются. Схема подавления колебаний позволяет сгладить процесс, не перенастраивая систему управления током.

Анализ показывает, что частота колебаний тока /, незначительно зависит от режима работы. Постоянную времени сглаживающего фильтра цепи

3

подавления колебаний выбираем из условия Тф&—, где /, - частота

/1

регулярных колебаний тока.

Интервал времени Д^ должен выбираться таким, чтобы завершились переходные процессы в контуре тока. Если настройка системы выполнена на технический оптимум, то Д(,«8,4ГС, где Тс - постоянная времени настройки контура тока. Интервал времени Д/2 выбирается из условия завершения переходного процесса по возмущению Дг2 «13ГС.

Применение узла подавления колебаний позволяет частично компенсировать изменения параметров контура регулирования, которые происходят во время плавки.

Отмечается, что при работе печи в силовом токе появляются относительно регулярные колебания с частотой /, = 2—10 Гц, что неблагоприятно влияет на энергетические показатели печи и увеличивает расход электроэнергии. Вся мощность установки складывается из

мощностей дуги (Рдуг), падения мощности на дросселе (дРдр) и на токопроводах (АРГП ).

Р,=Рдуг+АРдр+АРтп. (9)

При появлении колебаний в силовом токе на сглаживающем дросселе появляются потери, зависящие от конструкции дросселя, действующего значения переменной составляющей тока и частоты колебаний

Рдр*(К,/+К2/2)Ц, (10)

где К1 и К2 - коэффициенты, определяемые материалом и конструкцией дросселя; 1_ — действующее значение колебаний силового тока.

Появление колебаний приводит к перераспределению мощности. Увеличение мощности на дросселе зависит от частоты и амплитуды колебаний тока. Пульсации тока приводят к увеличению потери мощности на дросселе и снижению мощности на печи. Из выражений (9, 10) видно, что энергетическая эффективность установки будет снижаться с увеличением частоты и амплитуды пульсаций силового тока.

В четвертой главе проводятся экспериментальные исследования модели, разработанных элементов и САУ электродуговой печи в целом.

Управление электродуговой печью осуществляется трехуровневой системой, представленной на рис. 12. Здесь: 1Г - задаваемый ток дуги; 5" - строб, передающий регулятору управление электродом; 1а - измеренный ток дуги.

Рис. 12. Блок-схема системы управления электродуговой печью

На первом уровне находится хост-компьютер, программа которого позволяет технологам конфигурировать систему управления и следить за процессом плавки, а также накапливать протоколы процессов управления с целью анализа и совершенствования технологических процессов.

На втором уровне находится контроллер логического управления (КЛУ), который выполняет мониторинг состояний подсистем электродуговой печи, отрабатывает команды, подаваемые с пульта управления, вырабатывает сигналы управления регулятором тока, формирует протоколы процессов управления и

плавки. КЛУ связан с хост-компьютером интерфейсом Ethernet с пропускной способностью 10 Мбит/с.

Третий - оперативный уровень управления обеспечивает регулятор тока.

Во время плавки выполняется постоянное измерение и протоколирование тока дуги 1а. Ограниченная пропускная способность канала связи «Хост-компьютер - КЛУ» и СУБД PostgreSQL, используемой на хост-компьютере, а также особенности протокола Ethernet заставляют, во-первых, буферизовать все протокольные сообщения в кольцевом буфере, а во-вторых, ограничивать частоту съема данных с датчика Холла. Одна протокольная запись формируется один раз в 128 миллисекунд. Для ее формирование используется усреднение результатов нескольких измерений с целью фильтрации высокочастотной составляющей тока дуги. Коэффициент передачи измерительного канала тока дуги и настройки соответствующего АЦП выбраны таким образом, чтобы в диапазоне допустимых входных значений АЦП был представлен ток до 5,4 кА, что позволяет фиксировать выбросы тока, возникающие при технологических коротких замыканиях. На рис. 13 представлено изображение шкафа управления ДСППТ.

Рис. 13. Внешний вид шкафа управления

Полученные в ходе экспериментальных исследований данные протоколов тока обрабатывались с помощью программы MS Excel 2003. Ниже представлены диаграммы (рис. 14, 15) и соответствующие гистограммы распределения токов для наиболее характерных процессов (рис. 16).

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Рис. 14. Диаграмма тока дуги в одноконтурной системе

Рис. 15. Диаграмма тока дуги в системе с упреждающей коррекцией

Для анализа статистических свойств случайных процессов применялся метод случайных выборок, заключающийся в том, что непрерывный шумовой сигнал путем аналого-цифрового преобразования заменяется его дискретными отсчетами 1К = 1К (АД*), которые производятся в моменты времени Мг, где индекс к меняется от 0 до Ы, а N - общее число выборок в реализации. Полная длительность реализации при этом определяется выражением Т = Ы -к.

Расчет распределения выбросов шумовых сигналов по длительности организован в виде двух циклов. Во внешнем цикле задается опорный ток = /пах - удI начиная с у = 1. Общее число шагов К по току выбирают из

соображений информативности и достаточности. Шаг по току находим из размаха сигнала:

М={1так-1тт)'К

Во внутреннем цикле значения 1ш(Ш) поочередно сравнивается с и при появлении э-го выброса, запускается счетчик числа отсчетов п^ для которых выполняется условие 1Ш (Ш)>1°п. По окончании выброса число Д? запоминается, а перебор значений /ш(гД?) продолжается до 1=М. Далее опорное значение уменьшается на А/ и цикл повторяется до тех пор пока величина Г" не достигнет минимального значения сигнала в реализации = 1тЬ. По полученным значениям можно определить функцию распределения случайного сигнала: 1М1 1 М1

Применение данного численного метода анализа случайных сигналов позволяет оценить их динамические свойства и эффективность используемой коррекции.

■ без коррекции □ с коррекцией '

Рис. 16. Распределение тока дуги в процессе плавки металла

Анализ экспериментальных данных, полученных в ходе протоколирования тока в процессе плавки металла в ДСППТ, позволяет судить о правильности принятых мер по повышению качества системы управления ДСППТ. Применение упреждающей коррекции позволяет - на 40% сократить число обрывов дуги;

- на 40% сократить составляющую больших токов,

- на 50% уменьшить среднеквадратичное отклонение тока от заданного значения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана новая математическая модель системы управления током ДСППТ, отличающаяся от известных учетом насыщения дросселя в силовой цепи печи, нелинейным представлением дуги.

2. Методом дискретных выборок экспериментально получены оценки вероятностных характеристик тока дуги включая среднее значение, дисперсию, распределение выбросов тока по длительности, на основе которых рассчитаны параметры случайных колебаний электрода. Показано, что распределение амплитуды случайных колебаний электрода близко к нормальному закону, а распределение выбросов тока по длительности характерно для пуассоновского процесса.

3. Установлено, что дисперсия тока дуги при введении упреждающей коррекции становиться существенно меньше, а средний рабочий ток остается практически неизменным. На основе спектральных характеристик случайного процесса установлено, что частота случайных колебаний тока при введении упреждающей коррекции смещается в низкочастотную область.

4. Развит метод численного имитационного моделирования системы управления током дуги на основе стандартного программного комплекса МВТУ 3.6, который позволяет определять ее статические и динамические характеристики при действии случайных сигналов, сформированных по данным реального процесса с помощью модуля численной генерации случайных колебаний электрода с заданным законом распределения, близким к реальным колебаниям. Сравнение результатов моделирования с экспериментально измеренными характеристиками подтверждает адекватность модели и возможность ее применения при проектирования систем управления дугой.

5. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны математические модели элементов и технические средства управления током дуги:

- датчик скорости перемещения электрода, обладающий высокой чувствительностью к измеряемому сигналу и помехозащищенностью.

- блок управления электрогидравлическим приводом перемещения электрода, позволяющий минимизировать зону нечувствительности и уровень пульсаций скорости исполнительного механизма.

6. Разработаны алгоритм и схема подавления колебаний силового тока ДСППТ, основанные на изменении контурного коэффициента в зависимости от фактического значения амплитуды колебаний тока.

7. Использование разработанной системы управления током дуги ДСППТ позволило:

- повысить точность регулирования тока дуги в автоматическом режиме на 12%;

- снизить пульсации силового тока печи;

- снизить удельное потребление электроэнергии на выплавку металла на 15%;

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Карпухин, К. Е. Автоматизированная система повышения энергоэффективности дуговой плавильной установки / В. И. Доманов, А. В. Доманов, К. Е. Карпухин // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2010. -№7. - С.1-3.

2. Карпухин, К. Е. Автоматизированная система управления дуговой плавильной печи / В. И. Доманов, А. В. Доманов, К. Е. Карпухин // Промышленные АСУ и контроллеры. -

2010. -№4. - С.10-12.

3. Карпухин, К. Е. Динамические режимы системы регулирования тока дуговой плавильной печи / В. И. Доманов, А. В. Доманов, К. Е. Карпухин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2010. - №3. - С.33-37.

4. Карпухин, К. Е. Анализ чувствительности системы автоматического управления дуговыми плавильными установками / В. И. Доманов, А. В. Доманов, К. Е. Карпухин // Электротехника. -2010. -№10. - С.58-6Д.

5. Карпухин, К. Е. Влияние случайных сигналов на работу системы регулирования тока дуговой плавильной установки / В. И. Доманов, А. В. Доманов, К. Е. Карпухин // Приводная техника. - 2010. - №6. - С. 1 б-19.

6. Карпухин, К. Е. Электрогидропривод дорожно-строительных машин / В. И. Доманов,

A. В. Доманов, К. Е. Карпухин // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2010. -№5-6. - С. 46-49.

7. Карпухин, К. Е. Выбор элементов и анализ АСУ дуговой плавильной установки /

B. И. Доманов, А. В. Доманов, К. Е. Карпухин // Промышленные АСУ и контроллеры. -

2011. - №5. - С.37-42.

8. Карпухин, К. Е. Синтез и сравнение датчиков скорости перемещения электрода дуговой печи / В. И. Доманов, А. В. Доманов, К. Е. Карпухин // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2011. - №7. - С.43-45.

9. Карпухин, К. Е. Энергоэффективная система управления дуговой сталеплавильной печи / В. И. Доманов, А. В. Доманов, К. Е. Карпухин // Материалы Международной научно-технической конференции «Проблемы повышения энергоэффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах». - Севастополь, 2010. - С.54-55.

10. Карпухин, К. Е. Снижение колебательности силового тока дуговой плавильной установки / К. Е. Карпухин // Вестник Ульяновского государственного технического университета. - 2010. - №3. - С.58-59.

11. Карпухин, К. Е. Система регулирования силового тока дуговой сталеплавильной печи / В. И. Доманов, А. В. Доманов, К. Е. Карпухин // Материалы XI Международной научно-технической конференции Информационно-вычислительные технологии и их приложения. -Пенза, 2009.-С.97-101.

12. Карпухин, К. Е. Снижение чувствительности системы управления дуговой сталеплавильной печи к параметрическим возмущениям / В. И. Доманов, А. В. Доманов, К. Е. Карпухин // Материалы XII Международной научно-технической конференции Информационно-вычислительные технологии и их приложения. - Пенза, 2010. - С.63-66.

13. Карпухин, К. Е. Система регулирования тока дуговой плавильной установки / В. И. Доманов, А. В. Доманов, К. Е. Карпухин // Материалы X Международной научно-технической конференции Информационно-вычислительные технологии и их приложения. -Пенза, 2009. -С.54-61.

14. Karpukhin, К. Е. Analysis of Sensitivity of Automattic Control System for Arc Melting Plant/ V. I. Domanov, A. V. Domanov, К. E. Karpukhin // Russian Electrical Engineerinng. - 2010. -Vol.81, №10.-C.568-571.

15. Патент № 94293 Российская Федерация, МПК51 F15B 9/12. Электрогидравлическая система управления / Доманов В. И., Доманов А. В., Карпухин К. Е.; заявитель и

патентообладатель ГОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет». -№20091410242/22; заявл. 30.10.2009; опубл. 20.05.2010, Бюл. №14.

16. Патент № 2433576 Российская Федерация, МПК51, Н05В7/148. Устройство подавления колебаний силового тока дуговой сталеплавильной печи / Доманов В. И., Доманов А. В., Карпухин К. Е., заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет». - № 2010129136/07; заявл. 13.07.2010; опубл. 10.11.2011, Бюл. №31.

17. Патент №2436265 Российская Федерация, МПК51, Н05В7/148. Устройство для управления электрическим режимом дуговой сталеплавильной печи / Доманов В. И., Доманов А. В., Карпухин К. Е., заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет». - № 2010129094/07; заявл. 13.07.2010; опубл. 10.12.2011, Бюл. №34.

Подписано в печать 16.04.2012. Формат 60*84/16. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ 416. Типография УлГТУ, 432027, г, Ульяновск, ул. Северный Венец, 32.

61 12-5/3486

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Карпухин Константин Евгеньевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТОКОМ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЕЧИ

Специальности 05.13.18- Математическое моделирование, численные

методы и комплексы программ 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Доманов В.И.

Ульяновск - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. УСЛОВИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И МОДЕЛИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТОКОМ ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

9

(ДСППТ)

1Л. Особенности работы ДСППТ 9

1.2. Варианты систем питания ДСППТ 12

1.3. Влияние режима дуги на КПД 16

1.4. Пути повышения показателей качества систем управления

током дуги 17

1.5. Анализ приводов перемещения электродов 19 Выводы по главе 1 25

2. АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДСППТ 26

2.1. Анализ датчиков электрических величин 26

2.2. Определение параметров модели электрогидравлического ^ привода перемещения электрода

2.3. Микроконтроллерная система управления

электрогидравлическим приводом 34

2.4. Анализ датчиков скорости перемещения электрода 38

2.5. Исследование и синтез модели дуги постоянного тока 46

2.6. Определение внесенных сопротивлений и индуктивностей

от трансформатора, дросселя, шин токопроводов 52

Выводы по главе 2 54

3. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТОКОМ ДСППТ 55

3.1. Составление модели системы управления током ДСППТ 55

3.2. Анализ линеаризованной модели системы управления 58

3.3. Составление модели нелинейной системы 60

3.4. Моделирование нелинейной системы 64

3.5. Анализ чувствительности системы управления током

ДСППТ 69

3.6. Анализ системы управления током ДСППТ при 75 воздействии помех

70

3.7. Влияние пульсаций тока и пути их снижения 'у Выводы по главе 3 88

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 89

4.1. Разработка и испытание блока управления

электрогидравлическим приводом 89

4.2. Исследование датчика скорости перемещения электрода 94

4.3. Экспериментальные исследования системы управления

током ДСППТ в различных режимах 95

4.4. Обработка экспериментальных данных 99

4.5. Сравнение результатов моделирования с реальными процессами

Выводы по главе 4 116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 117

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 119

ПРИЛОЖЕНИЯ 128

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время получают широкое распространение дуговые сталеплавильные печи постоянного тока (ДСППТ) как основные агрегаты для выплавки качественных металлов. В дуговых печах постоянного тока в качестве управляющих воздействий могут использоваться изменения длины дуги или величины питающего напряжения. Однако, построение мощных регулируемых источников питания ДСППТ связано со значительными материальными затратами, которые для печей малой емкости сопоставимы со стоимостью самой печи. Поэтому в ДСППТ малой емкости в качестве одного из вариантов источника питания можно использовать печной трансформатор с неуправляемым выпрямителем, а управление электрическим режимом осуществлять только изменением длины дуги.

Процесс плавки металла в такой печи сопровождается изменением параметров силовой цепи, которое ведет к увеличению пульсаций силового тока, эксплуатационным коротким замыканиям и обрывам дуги. Это приводит к срабатыванию защиты, увеличению времени плавки и снижению энергетической эффективности установки.

В связи с этим необходимо решать вопросы модернизации и совершенствования систем управления ДСППТ. Эти задачи можно решить созданием математических моделей основных узлов системы и объекта исследований, подробного изучения условий возникновения и существования дуги, синтеза системы управления и ее элементов с низкой чувствительностью к параметрическим возмущениям. Исследование и синтез систем управления дуговыми печами проводили такие отечественные авторы, как А.Д. Свенчанский [69-71], Ю.М. Миронов [46-49], В.П. Рубцов [63 - 66] и др. В первую очередь они рассматривали вопросы, связанные с энергетикой и управлением мощностью, что актуально для печей большой мощности.

Разработкой математических моделей электродуговых печей и отдельных узлов занимались такие ученые как Салтыков В.М., Вахнина В.В., Кожеуров В.Н. [35, 41], Елизаров К.А. [33] и др.

В диссертационной работе рассматривается система управления током дуги для печей небольшой мощности (объемом до 400 кг). В таких печах в большинстве случаев отсутствует регулирование напряжения. Поэтому управление током дуги является единственным каналом воздействия на

процесс плавки. Таким образом, создание математических моделей элементов системы и процессов, связанных с существованием дуги в таких печах, является актуальной задачей.

Одним из возможных путей снижения пульсаций в контуре регулирования является разработка системы управления с низкой чувствительностью к изменениям параметров силовой цепи ДСППТ. Для снижения чувствительности системы управления к изменяющимся параметрам и снижения пульсаций силового тока предложена структура с узлом упреждающей коррекции, разработанной в УлГТУ Боровиковым М.А. Система, построенная таким образом, становится частично инвариантной, что позволяет сохранить высокое быстродействие при изменяющихся параметрах.

Решение задачи построения системы управления током ДСППТ требует создания модели объекта управления, синтеза структуры, удовлетворяющей технологическим требованиям, разработки датчиков и их математических моделей, обеспечивающих работу системы управления.

Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности электродуговой печи путем совершенствования системы управления током дуги с элементами упреждающей коррекции.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Разработка математической модели системы управления током электродуговой печи и отдельных ее элементов: электрогидравлического привода перемещения электрода, электрической дуги постоянного тока, устройства упреждающей коррекции.

2. Разработка программного комплекса, позволяющего исследовать математическую модель системы управления током электродуговой печи в различных режимах работы в условиях изменяющихся параметров силовой цепи.

3. Разработка технических средств управления током дуги:

- датчика скорости перемещения электрода, обладающего высокой чувствительностью к измеряемому сигналу и помехозащищенностью.

- алгоритма управления электрогидравлическим приводом перемещения электрода, позволяющего минимизировать зону нечувствительности и уровень пульсаций скорости исполнительного механизма.

- алгоритма и схемы подавления колебаний силового тока ДСППТ. 4. Подтверждение адекватности разработанной математической модели системы управления током электродуговой печи и эффективности технических решений, направленных на повышение стабильности режимов работы.

Новизна положений диссертации, выносимых на защиту

1. Разработана математическая модель системы управления током электродуговой печи, позволяющая исследовать динамические режимы системы управления током электродуговой печи в различных режимах работы в условиях изменяющихся параметров силовой цепи.

2. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны математические модели элементов и технические средства управления током дуги:

- датчик скорости перемещения электрода, обладающий высокой чувствительностью к измеряемому сигналу и помехозащищенностью.

- алгоритм управления электрогидравлическим приводом перемещения электрода, позволяющий минимизировать зону нечувствительности и уровень пульсаций скорости исполнительного механизма.

- алгоритм и схема подавления колебаний силового тока ДСППТ.

3. Разработаны структурная и принципиальная схемы системы управления током ДСППТ, отличающейся пониженной чувствительностью к изменяемым параметрам силовой цепи в процессе плавки металла.

Практическая ценность

1. Использование разработанной модели системы управления током электродуговой печи и результатов моделирования позволяет повысить точность регулирования тока дуги в автоматическом режиме на 12% по сравнению с традиционной системой управления.

2. Применение разработанного алгоритма и специальной программы управления электрогидроприводом перемещения электрода позволяет повысить плавность движения исполнительного механизма на низких скоростях на 50% по сравнению со штатным алгоритмом управления.

3. Применение алгоритма подавления колебаний силового тока позволяет снизить колебательность тока дуги и, как следствие, повысить энергетическую эффективность и уменьшить время плавки металла.

4. Применение упреждающей коррекции позволяет на 40% сократить количество обрывов дуги, повысить точность регулирования, на 40% снизить составляющую «больших» токов (1>2400А).

Первая глава диссертации носит обзорный характер. В ней представлено краткое описание технологического процесса плавки металла в дуговой сталеплавильной печи постоянного тока (ДС1111Т), самой печи, ее элементов и их моделей. Рассмотрены особенности работы дуговой сталеплавильной печи постоянного тока (ДСППТ) и систем управления. Приводится анализ существующих алгоритмов управления током дуговых сталеплавильных печей постоянного тока. Отмечается, что изменение параметров силовой цепи ДСППТ в процессе плавки ведет к увеличению пульсаций силового тока и ухудшению энергетической эффективности процесса.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей узлов системы управления ДСППТ. В настоящее время в схемах измерения постоянного тока широкое распространение получили датчики тока, основанные на эффекте Холла. Обосновывается модель датчика тока и приводится ее расчет. Для создания системы с низкой чувствительностью к параметрическим изменениям необходимо измерять скорость перемещения электрода. Рассмотрены различные варианты получения сигнала скорости перемещения электрода. Составлена модель датчика скорости на основе датчика ускорения. Важное значение для управления электрическим режимом печи имеет привод перемещения электрода, так как его работа определяет качество автоматического регулирования электрического режима плавки, которое, в свою очередь, оказывает влияние на производительность печи, удельный расход электроэнергии. Составлена математическая модель электрогидравлического привода перемещения электрода. Сравнительный анализ показывает, что электрогидропривод обладает рядом преимуществ по сравнению с электромеханическим приводом: компактность, удобство управления, бесшумность работы, возможность бесступенчатого регулирования скорости в широком диапазоне, высокая удельная развиваемая мощность, однотипность с другими приводами механизмов печного агрегата.

Третья глава посвящена синтезу системы управления током ДСППТ. Возмущающие воздействия, возникающие в ДСППТ, связаны с

нестабильностью горения дуги, резкими колебаниями тока от замыкания электродов с шихтой и обрыва дуги. Колебания тока отрицательно влияют на энергетические показатели, поэтому они должны отрабатываться с максимальным быстродействием. Предложена модель системы управления с узлом упреждающей коррекции, которая позволяет снизить колебательность в системе, а также снизить чувствительность к параметрическим возмущениям. Эффективность применения упреждающей коррекции в структуре системы управления ДСППТ подтверждается графиками распределения токов, построенными по реальным процессам. Разработана математическая модель электрической дуги постоянного тока. Выполнено моделирование системы с учетом параметрических изменений, нелинейности объекта управления и воздействия случайных помех.

В четвертой главе проводятся экспериментальные исследования разработанной на основе моделирования системы управления током ДСППТ и отдельных её узлов. Разработанный в ходе экспериментальных исследований блок управления электрогидравлическим приводом прошел заводские испытания на предприятии ОАО «Гидроаппарат», г. Ульяновск.

Разработанная система управления током, содержащая блок управления электрогидравлическим приводом перемещения электрода и датчик скорости перемещения электрода реализована в ДСППТ-0,1 на предприятии ООО «НПК «Специальные технологии литья», г. Ульяновск. Использование разработанной системы управления и указанных блоков позволило:

- повысить точность регулирования тока дуги на 12%;

- снизить пульсации силового тока печи;

- снизить удельное потребление электроэнергии на выплавку металла на 15%;

- снизить чувствительность системы управления током с упреждающей коррекцией по сравнению с одноконтурной системой управления.

Анализ экспериментальных данных, полученных в ходе протоколирования тока в процессе плавки металла в ДСППТ, позволяет судить о правильности принятых мер по повышению качества системы управления током ДСППТ. Применение разработанной системы управления позволяет

- на 40% сократить число обрывов дуги;

- на 55% сократить составляющую больших токов,

- на 50% уменьшить среднеквадратичное отклонение тока от заданного значения.

1. УСЛОВИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И МОДЕЛИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТОКОМ ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА (ДСППТ)

1.1. Особенности работы ДСППТ

В электросталеплавильном производстве основную долю электростали (более 90 %) потребляют дуговые печи [52]. Дуговая сталеплавильная печь предназначена для получения жидкой стали заданного состава и качества для дальнейшего использования для получения металлургических слитков в изложницах или на машинах непрерывной разливки, а также фасонного литья на литейных производствах машиностроительных предприятий.

В общем виде дуговая печь (рис. 1.1.) представляет собой теплозащищенную ванну (1) с установленным в ней нижним электродом (2), укрытую сводом (3), в которую с помощью вертикально перемещающегося электрода (4) вводится электрическая энергия для расплавления твердой шихты, требуемого перегрева жидкого металла и проведения необходимых технологических операций по обеспечению высокого качества стали [69].

Рис. 1.1. Общий вид ДСППТ Процесс плавки в дуговой сталеплавильной печи состоит из трех основных технологических этапов: плавления твердой шихты, окисления («кипения») ванны и её раскисления (восстановительный период) [69].

г д

Рис. 1.2. Этапы плавки металла На начальном этапе периода расплавления дуга горит открыто на поверхности шихты (рис. 1.2. а), при этом происходит интенсивное облучение свода. Поэтому вводимая мощность ограничивается 80-90% номинальной. Из-за усиленного теплоотвода в холодный металл и сравнительно высокого градиента потенциала в столбе дуги длина дуги очень мала. Под торцом электрода металл начинает расплавляться и просачиваться на подину, образуя колодец, в который постепенно опускается электрод (рис. 1.2. б, в). Экранирование дуги стенками колодца снижает облученность свода и позволяет повысить мощность печи до максимально возможной. По мере дальнейшего расплавления шихты электрод достигает слоя жидкого металла на подине. Проплавление колодца сопровождается обвалами шихты и эксплуатационными короткими замыканиями (КЗ) (рис. 1.2. г). Для их ликвидации электроды поднимают вверх до разрыва КЗ, а затем снова опускают вниз. Электрическая нагрузка в этот этап резко колеблется - от короткого замыкания до обрыва дуги.

Обвалы шихты разрушают колодцы, после чего происходит доплавление оставшейся шихты (рис. 1.2. д).

Период расплавления металла является самым энергоемким и составляет по длительности от 40 до 80-90% всего времени плавки [70]. Требуемая производительность печи в этот период обеспечивается лишь при наличии автоматического регулятора перемещения электрода, основным параметром которого на этом этапе является быстродействие.

В периоды окисления и восстановления металла печь работает более спокойно. Дуга горит открыто, излучая значительное количество энергии на футеровку стен и свода. Длина дуги увеличивается, что связано с уменьшением градиента потенциала в столбе дуги. Это вызывает

значительное увеличение температуры футеровки, что приводит к необходимости снижения вводимой мощности. Электрический режим целесообразно выбирать с учетом интенсивности нагрева металла и износа футеровки [70].

На ДСППТ действуют управляющие и возмущающие сигналы, которые изменяют ее режим работы. Изучением этих вопросов с различных позиций заним�