Разработка системы управления дуговой печью постоянного тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.10, кандидат технических наук Нехамин, Илья Сергеевич

• Нехамин, Илья Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нехамин, Илья Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1. ГЛАВА ПЕРВАЯ: АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И УРОВНЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ, СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ДУГОВЫМИ ПЕЧАМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1.1. Анализ состава оборудования дуговых печей? постоянного тока и технологии плавки.

1.2. Состояние и уровень развития систем электропитания и управления дуговыми печами постоянного тока.

1.3. Выводы: по первой главе.362.

ГЛАВА ВТОРАЯ. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ РЕГУЛЯТОРА ТОКА ДУГОВОЙ ПЕЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

2.1. Разработка структуры регулятора тока.

2.2. Разработка модели электрической печи постоянного тока;.

2.3. Синтез регулятора тока.

2.4. Методы исследования регулятора тока.;.—

2.5. Регулятор тока с параметрической адаптацией;.;.

Выводы по второй главе.

3. ГЛАВА ТРЕТЬЯ. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕГУЛЯТОРА ТОКА ДУГИ С УЧЕТОМ ПУЛЬСАЦИЙ ВЫПРЯМЛЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ.

3.1. Разработка модели регулятора тока, учитывающей пульсации выпрямленного напряжения.

3.2. Выбор метода анализа регулятора тока.

3.3. Влияние пульсаций напряжения на допустимые параметры короткой сети.

3.4. Исследование влияния инерционности датчика тока.

3.5. Исследование влияния квантования по времени.

3.6. Исследование влияния нелинейной характеристики сглаживающего дросселя.

Выводы по третьей главе.

4. ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ.

4.1. Стендовые экспериментальные исследования регулятора тока ДПС

4.2. Измерительно-управляющий комплекс ДПС.

4.3. Концепция построения системы управления ДПС.

Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка системы управления дуговой печью постоянного тока»

В настоящее время все большее распространение получают дуговые сталеплавильные печи постоянного тока. В отличие: от традиционных: дуговых сталеплавильных печей переменного тока. (ДСП), печи постоянного тока, (ДПС) обладают рядом технологических преимуществ; однако требуют более сложной-системы^электроснабжения иуправления:. Методики, позволяющие: проводить- анализ, и синтез систем управления; в настоящее время; не достаточно проработаны, что обусловлено;, с одной стороны; малым1 опытом эксплуатации ДПС в комплекте с современными системами управления, ах другой, - сложностью и нелинейным; характером; объекта управления, которым; является; электрическая1 дуга,, горящая между перемещающимся электродом и шихтой. Электрическая , дуга является«; основным . источником тепловой^ энергии в плавильных: печах переменного: щ постоянного;тока; определяющим?те-пловые и электрические процессы- в. печи: Устойчивость горения дуги, т.е. непрерывное преобразование вшечи электрической энергии в.тепловую, достигается только: при правильном; выборе.: параметров источника:питания: и системьиуправления. . . ■ , Технологический процесс плавки r дуговых печах предполагает необходимость осуществления; автоматического зажигания дуги на различных стадиях технологического процесса плавки: первичном^ включении :печи; обрыве дуги, ликвидации; технологических коротких замыканий; возникающих при 'обвале:шихты» и.т.д. Точность и быстродействие системы'управления дуговой; плавильной, печью; определяют её производительность и энергетическую эффективность. . .

Дуговая сталеплавильная; печь является мощной электрической нагрузкой. Установленная мощность дуговых печей достигает 100 МВА, в связи, с чем'их питание осуществляется* от высоковольтных сетей 6-К220 кВ: В то же время напряжение на дуге невелико и составляет 200-^-1 ОООВ^ что приводит к необходимости введения в систему электроснабжения понижающего транс' 4 форматора и обуславливает значительньте токи, протекающие в электрической дуге и составляющие десятки килоампер.

В настоящее время при синтезе и настройке системы питания • руководствуются в основном упрощенным представлением печи, как объекта управления, а также имеющимися экспериментальными данными, что, как правило, приводит к большим погрешностям при выборе параметров электрооборудования и, соответственно, к удорожанию всего комплекса. Выбор параметров оборудования и управления является многоуровневой- задачей, это связано со сложностью самого объекта — мощной электрической-дугой. Напряжение на дуге зависит от тока, длины дуги и характеристик среды, в которой она горит (температуры, состава газа, теплопередачи в среде и разнообразных непрогнозируемых возмущений).

Электрическая дуга, горящая с графитированного электрода на шихту, обладает постоянной времени около десятых долей миллисекунд, быстродействие системы управления — единицы миллисекунд (не менее* дискретности силового выпрямителя для печей постоянного тока), быстродействие механизма^ перемещения электрода - десятки и сотни-миллисекунд. Однако раз? личие исполнительных элементов, обеспечивающих преобразование электрической энергии в тепловую, усложняет, задачу синтеза системы управления дуговой печью постоянного тока.

В. отличие от дуги переменного тока, где оперативное управление осуществляется только перемещением электрода, дуга постоянного тока обладает важной особенностью - наличие двух каналов управления режимом горения дуги, существенно отличающихся по динамическим характеристикам. Быстрый канал - изменения угла управления тиристорами выпрямителя (поддержание тока на заданном уровне) и медленный канал - перемещение электрода для поддержания напряжения на заданном уровне. Ступень напряжения источника питания по существу является настроечным параметром системы управления и поэтому может не рассматриваться как канал оперативного управления током дуги.

При создании источника питания стремятся минимизировать запас по мощности, который необходим для обеспечения устойчивости системы, как по надежности, так и по управлению. При проектировании системы питания и управления необходимо обеспечить работу с оптимальными энергетическими характеристиками, обеспечивающими, например, минимум капитальных затрат или текущих расходов.

На основании изложенного разработка системы управления технологическим процессом плавки в дуговой печи постоянного тока и особенно регулятора тока, удовлетворяющего технологическим требованиям является актуальной.

Цель диссертационной работы - разработка системы управления процессом плавки в дуговой печи постоянного тока, обеспечивающей повышение эффективности электрических Ы технологических режимов плавки, приводящих к снижению стоимости продукции.

Для достижения указанной цели в. работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ особенностей технологического процесса плавки металла в дуговой печи, режимов работы электрооборудования, уровня развития систем управления, конструктивных и компоновочных решений.

2. Разработка моделей электрической дуги и регулятора тока.

3. Синтез регулятора тока дуговой печи постоянного тока.

4. Исследование процессов зажигания дуги с целью выявления влияния параметров электрической дуги и системы электропитания и оптимизации режимов работы печи.

5. Исследование влияния пульсаций выпрямленного напряжения управляемого выпрямителя на режимы работы дуговой печи постоянного тока.

6. Экспериментальное исследование электрических и тепловых режимов процесса плавки в дуговой- печи постоянного тока с целью уточнения моделей системы управления и проверки функционирования предлагаемой системы управления.

7. Разработка методики и аппаратных средств экспериментальных исследований характеристик технологического процесса и работы системы.

8. Разработка алгоритмов управления- тепловым и электрическим режимами печи постоянного тока, обеспечивающей повышение эффективности процесса плавки, приводящее к снижению стоимости продукции.

В первой главе проводится анализ особенностей конструкции и технологического процесса плавки дуговой печи постоянного тока, требований к источнику питания и системам управления процессом плавки.

Во второй главе на основе модели дуговой печи постоянного тока разрабатывается структура регулятора тока, составляется структурная схема, проводится» анализ влияния настроек регулятора, обосновывается целесообразность использования адаптивной системы регулирования.

Третья глава посвящена исследованию влияния пульсаций выпрямленного напряжения источника питания на' процесс зажигания дуги. На основе разработанной оригинальной модели регулятора, учитывающей пульсации выпрямленного напряжения, анализируется влияние частоты пульсаций' (пульсности выпрямительной схемы), инерционности датчика обратной связи аналогового регулятора тока, квантования по времени цифрового регулятора тока, а так же влияние нелинейности характеристики сглаживающего дросселя.

В четвертой главе излагается методика экспериментального исследования системы питания и управления дуговой печи постоянного тока, проводится экспериментальное определение вида и параметров элементов, входящих в состав регулятора тока. Приводятся результаты исследования работы системы на промышленной печи постоянного тока типа ДПС-12 и рекомендации по построению системы управления на базе двухуровневой иерархической системы, включающей в себя промышленный компьютер и программируемые универсальные контроллеры.

Заключение диссертации по теме «Электротехнология», Нехамин, Илья Сергеевич

Выводы по четвертой главе:

1. Разработана методика проведения многоступенчатых экспериментальных исследований и настройки регулятора тока печи постоянного тока.

2. Показана целесообразность проведения экспериментов на физической модели регулятора тока на первом этапе для наладки системы управления выпрямителем, а на втором — проверка устойчивости горения дуги и уточнение параметров короткой сети.

3. Разработан и опробован на промышленной печи измерительно-управляющий комплекс, позволяющий получать, регистрировать, хранить, осуществлять обработку информации и выводить в графической форме информацию о работе печи в течение всей плавки.

4. Разработана концепция построения системы комплексного управления плавильной печью постоянного тока.

5. Разработаны рекомендации по построению алгоритма управления дуговой печью постоянного тока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании анализа особенностей технологии, конструкции и систем питания и управления дуговыми печами постоянного тока сформулированы требования к источнику питания и системе управления током дуги для обеспечения устойчивого, зажигания дуги, ликвидации коротких замыканий и обрывов дуг. Обоснован вывод о целесообразности совершенствования системы управления регулятора тока дуговой печи постоянного тока.

2. На основе уточненной многофакторной модели дуги печи постоянного тока проведен анализ и синтез регулятора тока и определены зависимости, связывающие параметры короткой сети и сглаживающего дросселя с параметрами ПИД-регулятора тока.

3. Разработана модель системы управления! током в дуговой печи постоянного тока, позволяющая проводить исследование и проектирование в диалоговом режиме систем управления для класса печей постоянного тока.

4. На основании проведенных исследований показана целесообразность построения адаптивного регулятора тока, обеспечивающего автоматическую подстройку параметров ПИД-регулятора при изменении теплового и электрического состояния дуги.

5. На основании разработанной модели регулятора тока дуговой, печи, учитывающей пульсации выпрямленного напряжения управляемого выпрямителя, определены зависимости граничных параметров короткой сети, которые обеспечивают устойчивый процесс зажигания дуги от величины и частоты пульсаций для схем. выпрямления с различной пульсностью. Установлено существенное влияние пульсаций выпрямленного напряжения, приводящее к ухудшению условий зажигания дуги.

6. Установлено, что устойчивая работа аналогового регулятора тока обеспечивается при постоянной времени в канале обратной связи не превышающей 200мкс, а в цифровом регуляторе тока квантование по времени также не должно превышать 200мкс.

7. Разработанная методика экспериментальных исследований системы управления дуговой печи постоянного тока позволила уточнить модель системы, параметры её элементов, а проведенные на промышленной печи , исследования подтвердили реализуемость и работоспособность предлагаемой системы регулирования.

Даны рекомендации по построению системы управления дуговой печью постоянного тока на базе распределенной иерархической системы, включающей в себя центральный промышленный компьютер и локальные регуляторы на программируемых контроллерах, управляющие отдельными подсистемами регулирования тока дуги, напряжения дуги, приводом перемещения электрода и вспомогательными механизмами печи.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нехамин, Илья Сергеевич, 2009 год

1. Зиннуров И.Ю. Гудим Ю.А. Совершенствование оборудования электросталеплавильных цехов / Составитель Зинурова И.Ю: — Челябинск: ИД Олега Синицына, 2008 580 с.

2. Свенчанский А.Д., Смелянский М.Я./ Электрические промышленные печи. 4.2. Дуговые печи. Учебное пособие для вузов.//М. «Энергия», 1970.-264 с.

3. Минеев А.Р., Коробов А.И., Погребисский М.Я. /Моделирование электротехнологических процессов и установок.// М.: Компания Спутник*, 2004. С. -125 : ил

4. Электрооборудование и автоматика электротермических установок: (Справочник)/Альгаузен А.П. и др. М. :Энергия, 1978.-304с, ил.

5. Электротермическое оборудование/Под ред. Альтгаузена. М.: Энергия, 1980. -416с.

6. Макаров Е.Г. /Инженерные расчеты в Mathcad. Учебный курс. //СПб.: Питер. 2003.-448 с

7. Дьяконов В. /Simulink4. Специальный справочник.// СПб.: Питер, 2002. -528 с.

8. Ю.Электро дуговые печи постоянного тока./А.Н. Попов, М.М. Крутянский, В.В. Долгов, А.К. Филиппов// «Электрометаллургия». №2. 1998. С. 11-15.

9. Рубцов В.П. Дискретный регулятор мощности ДСП с нерегулируемым асинхронным двигателем.//Актуальные проблемы энергосберегающих технологий. Труды Всероссийской научно-технической конференции с международным участием АПЭЭТ-2006 С. 450-453.

10. Филиппов А.К., Крутянский М.М., Фарнасов Г.А. Использование электропечей постоянного тока в металлургии. «Сталь», 1/2002,стр. 3337.

11. Источник питания с улучшенными энергетическими характеристиками. Рубцов В.П. Нехамин И.С. //Актуальные проблемы энергосберегающих технологий. Труды Всероссийской научнотехнической конференции с международным участием АПЭЭТ-2006 С. 454-456.

12. Структурное моделирование электромеханических систем и их элементов. В.А. Иванушкин, Ф.Н. Сарапулов, П. Шимчак Щецин: 2000 г.

13. Рубцов В.П., Нехамин И.С. Исследование влияния пульсаций выпрямленного напряжения на устойчивость горения электрической дуги. «Вестник МЭИ».№ 6. 2008. С. 47- 50.

14. Герман-Галкин С.Г. МайаЬ & 8шшНпк. Проектирование мехатронных систем на ПК. СПб.: КОРОНА-Век, 2008.

15. Свенчанский А.Д., Гуттерман К.Д. Автоматическое регулирование электрических печей, М.-Л., изд-во «Энергия», 1965 -480с.

16. Мануйлов П.Н. Теплотехнические измрения и автоматизация тепловых процессов. Изд. 2-е, перераб. И доп. М. «Энергия», 1976 — 248с.

17. Свенчанский А.Д., Трейзон З.Л. Автоматизащия электротермических установок. Учебник для техникумов. М. «Энергия», 1968 264с.

18. Федоров Ю.Н. Справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разработка. Учебно-практическое пособие. — М.: Инфра-Инженерия, 2008. -928с, 12 ил.

19. Автоматизация металлургических печей.Каганов В.Ю., Блинов О.М., Глинков Г.М., Морозов В.А., М., «Металлургия», 1975. с 376.

20. Глинков Г.М., Климовицкий М.Д. Теоретические основы автоматического управления металлургическими процессами: Учебное пособие для вузов. М.: Металлургия, 1985. 304 с.

21. Смышляев П.П. Лыкосов В.М., Осипков Л.П. Управление технологическими процессами: Математические модели: Учеб. Пособие/ Под ред. Чл.-кор. В.И. Зубова Л.: Издательство Ленинградского университета, 1989 - 284с.

22. Егоров А.И. Оптимальное управление тепловыми и диффузионными процессами. М. 1978, 464с.

23. Фарнасов Г.А. Электротехника, электроника, электрооборудование : Учебник для вузов. М.: «НИТЕРМЕТ ИНЖИНИРИНГ», 2000. - 392с.

24. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. — М.: Высшая школа, 1982.-496.

25. Окороков Н.В. Электроплавильные печи черной металлургии. — М.: Металлургия, 1977,. -248с.

26. Электротехнологические промышленные установки / Под. Ред. А.Д. Свенчанского. М.: Энергоатомиздат, 1981. — 236с.

27. Соколов М.М., Грасевич В.Н. Электрооборудование механизмов электротермических установок. -М.: Энергоатомиздат, 1982. 339с.

28. Волохонский JI.A. Вакуумные дуговые печи. -М.: Энергоатомиздат, 1985.-232с.

29. Васильев A.C. Гуревич С.Г. , Иоффе Ю.С. Источники питания электротермических установок. — М.: Энергоатомиздат, 1985. 247с.

30. Марков H.A. Бараник О.В. Эксплуатационный контроль электрических параметров дуговых электропечей. М.: Энергия, 1973. — 102с.

31. Тиристорная преобразовательная техника в цветной металлургии / А.Д. Никулин, JI.C. Родштейн, В. Г. Сальников, В.А. Бобков. -М.: Металлургия , 1983г.- 128с.

32. Никольский Л.Е., Смоляренко В.Д., Кузнецов Л.Н. Тепловая работа дуговых сталеплавильных печей. — М.: Металлургия, 1981. 310с.

33. Перспективы применения плазменной техники и технологии в металлугрии и машиностроении / Тезисы докладов. Челябинск: 1991. 67с.

34. Фарнасов Г.А. Егоров A.B. Рабинович В.Л. Электрооборудование и элементы автоматики электроплавильных печей : Справочник. — М. Металлургия 1976. 380с.39.0сновы промышленной электроники / Под ред. В.Г. Герасимова. М.: Высшая школа, 1986г. — 335с.

35. Проектирование систем контроля и автоматического регулирования металлуригических процессов (пособие по курсовому и дипломному проектированию). Глинков Г.М., Маковский В.А. Лотман С.Л. Изд-во « Металлургия», 1970, с. 412.

36. Емельянов Л.И. Капник О.В. Проектирование установаок контроля и автоматизации тепловых процессов. Изд. « Энергия», 1966.

37. Казанцев Е.И. промышленные печи. Изд. «Металлургия», 1964.

38. Климовицкий М.Д. Копелович А.П. Автоматический контроль и регулирование в черной металлургии . Изд. «Металлургия», 1967.

39. Ротач В.Я. Расчет настройки промышленных систем регулирования Госэнергоиздат, 1961.

40. Ротач В.Я. Импульстные системы автоматического регулирования. Изд. «Энергичя», 1964.

41. Техника проектирования систем автоматизации. Справочные материалы под ред. Л.И. Шипетина. Изд. «Машиностроение» 1966.

42. Технико-экономическая эффективность систем электроснабжения промышленных предприятий. Овчаренко A.C., Рабинович М.Л. Киев, «Техника» , !977, 172с.

43. Электроснабжение и электрооборудование металлургических цехов. Фотиев М.М., «Металлургия», 1979. -276с.

44. Марков H.A. Электрические цепи и режимы дуговых электропечных установок. М.,»Энергия», 1975. 204с с ил.

45. Смоляренко В.Д. Высокомощные дуговые сталеплавильные печи. М., «Энергия» 1976. 104с. С ил.

46. Фотиев М.М. Электрооборудование Сталеплавильных и термических цехов. М., Металлургия» 1969. 414 с сил.

47. Егоров А. В., Моржин А.Ф. Электрические печи. М., «Металлургия», 1975. 352с. С ил.

48. Промышленные установки электродугового нагрева и их параметры. Под общ. Ред. Л.Е. Никольского. М., «Энергия», 1971.

49. Чередниченко B.C. Аньшаков A.C., Кузьмин М.Г. Плазменныеэлектротехнологические установки: Учебное пособие для вузов / Под ред. B.C. Чередниченко. Новосибирск: Изд. НГТУ, 2005. — 508 с.

50. Ефроймович Ю.Е. Фейгин В.И. Автоматическое регулирование дуговых металлургических печей. М. Металлургиздат. 1951. 236.

51. Расчет мощности и параметров электроплавильных печей: Учеб. Пособие для вузов. Егоров A.B. М.: «МИСИС», 2000. 272с.

52. Калантаров П.Л. Цейтлин JI.A. Расчет индуктивностей: Справочная книга. -3-е изд., перераб. И доп. JL: Энергоатомиздат. 1986. 488с.

53. Дуговые сталеплавильные печи: Атлас/ Зиннуров И.Ю. , Строганов А.И. Кузнецов Л.К. и др. М.: Металлургия, 1978'. 180с.

54. Короткие сети и электриеские параметры дуговых электропечей: Справочник / Данцис Я.Б., Кацевич Л.С., Жилов Г.М. и др. : Под ред Я.Б Данциса и Г.М. Жилова. М.: Металлургия. 1987. 320с.

55. Роменец В.А. Леонтьев A.M. Дуговые сталеплавильные печи. М.: Металлургия , 1971. 216с.

56. Металлургические печи: Атлас. Учеб. Пособие для вузов / Миткалинный В.И. Кривадин В.А. Морозов В.А. и др. 3-е изд. Перераб. И доп. М.: Металлургия, 1987. 380с.

57. Лапшин И.В. Автоматизация дуговых печей. М. ЛОТ 2004.

58. Автоматизация технологических процессов.дуговой сталеплавильной печи. -М.: ООО «Квадратум», 2002. -157с.

59. Лапшин И.В! Чехович К.А. Новые тенденции в управлении электрическим режимом дуговых сталеплавильных печей. Электрометаллургия, 1998, №5-6. С. 46-52.

60. Малиновский B.C., Ярных Л.В. Дуговые печи постоянного тока-нового поколения. Металлургия машиностроения, 2001, №1ю.

61. Пономаренко А.Г. Система Оракул: от автоматизации к оптимальному управлению. Материалы VI конгресса сталеплавильщиков. Череповец, 2000.

62. Чехович К.А., Лапшин И.В., Малыгин И.П., Слепнев Г.М., Едалов Ю.М. Микропроцессорный регулятор электрического режима дуговой сталеплавильной печи. Сталь, 1997. №8.

63. Автоматизация контроля и управления электросталеплавильными установками. Пирожников. В.Е. Каблуковский А.Ф. М.', «Металлургия», 1974, с. 208.

64. Juan Celada S. "Electric Analysis of the Steel Melting Arc Furnace", Iron and Steel Engineer, Vol. 70, May 1993. 35-99

65. Roger C. Dugan, "Similation of Arc Furnace Power Systems" IEEE Trans. On Industry Application Vol. 16, No. 6 , 1980, pp. 813-818.

66. A.R. Oltrgge, "Fundamental Criteria of Large Arc Furnace Power Supply Systems", Journal of Metals, January 1971, pp. 53-64