Совершенствование электрогидравлического регулятора мощности дуговой печи постоянного тока

В настоящее время в литейном производстве все большее распространение получают дуговые печи[1], применяемые для расплавления металлов и доводки их химического состава до требуемого. Дуговые печи (ДП) по роду используемого тока подразделяются на печи, работающие на постоянном и переменном токе. В отличие от традиционных дуговых печей переменного тока (ДСП), печи постоянного тока (ДПС) обладают рядом технологических пре-имуществ[2 — 5], однако требуют более сложной системы электроснабжения и управления. Привод перемещения электродов в обоих типах печей традиционно выполняется электромеханическим или гидравлическим. Гидравлический привод перемещения электродов в настоящее время завоевывает все большую популярность и находит применение не только для механизмов ДП средней и большой мощности (ёмкости) (15 МВА (25т), 40 МВА (50 т) 90 МВА (150т)), но и малой мощности (ёмкости) (1,6 MBA (1 т) и ниже) [6 — 10]. Этому способствуют такие его преимущества, как компактность, наименьшее по сравнению с другими видами приводов отношение массы к развиваемой мощности, способность длительно развивать статические усилия, возможность бесступенчатого регулирования скорости, возможность защиты от перегрузок ограничением давления, плавность и бесшумность работы, удобство управления. Созданные в последнее время надежные пропорциональные гидрораспределители позволяют изменять скорость перемещения рабочих органов в широком диапазоне регулирования. Недостатки гидравлического привода обусловлены следующими факторами: утечками рабочей жидкости через уплотнения и зазоры (особенно при высоких значениях давления) — нагревом рабочей жидкости, что в ряде случаев требует применения специальных охладительных устройств и средств тепловой защиты и приводит к более низкому КПД, чем у сопоставимых механических передачнеобходимостью обеспечения в процессе эксплуатации чистоты рабочей жидкости и защиты от проникновения в неё воздухапожароопасностью (при применении горючей рабочей жидкости)[11]. Устраняют или значительно уменьшают влияние вышеперечисленных недостатков рациональным выбором гидравлических схем и конструированием гидроузлов, что подтверждается зарубежными разработками[12 — 15]. Тогда преимущества гидропривода перед обычными механическими передачами становятся столь существенными, что во многих случаях предпочтение отдаётся именно ему [16].

Перспективным можно считать применение гидравлического привода и для перемещения электродов дуговой печи, что позволяет упростить кинематическую схему механизма перемещения электрода и значительно повысить быстродействие.

Несмотря на широкое развитие гидравлических приводов перемещения электродов дуговых печей, наблюдаемое в настоящее время, разнообразие технологических режимов работы ДП и разнообразие применяемого электрооборудования не позволяют сформулировать единые подходы, позволяющие проводить проектирование систем управления ДП на их основе. Отсутствие такой методики требует проведения длительных и дорогостоящих исследований при наладке и настройке систем управления (СУ). В настоящее время в РФ приходится сталкиваться с литейными производствами, в которых используется оборудование с высокой степенью изношенности, однако по причинам финансового характера полная замена ДП на таких производствах невозможна. Это ведет к частичной модернизации оборудования ДП, что, в свою очередь, приводит к еще более неоднозначному решению задачи настройки СУ. При синтезе и настройке СУ регулятором мощности руководствуются в основном упрощенным представлением печи, как объекта управления, что, как правило, приводит к большим погрешностям при выборе параметров оборудования, соответственно, к удорожанию всего комплекса и снижению производительности ДП.

Технологический процесс плавки в 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 печь литейного класса, емкостью до 30 тонн, является мощной электрической нагрузкой. Установленная мощность дуговых печей достигает 25−30 МВА, в связи, с чем их питание осуществляется от высоковольтных сетей 6-К30 кВ. В то же время напряжение на дуге невелико и составляет 200-^1000 В, что приводит к необходимости введения в систему электроснабжения понижающего трансформатора и обуславливает значительные токи, протекающие в электрической дуге и составляющие десятки килоампер.

В настоящее время при синтезе и настройке системы управления регулятором перемещения электродов руководствуются в основном упрощенным представлением печи, как объекта управления, что, как правило, приводит к большим погрешностям при выборе параметров оборудования 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, быстродействие механизма перемещения электрода — десятки и сотни миллисекунд. Такое различие исполнительных элементов и их параметров усложняет задачу синтеза системы управления дуговой печью.

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 системы управления дуговой печью с электрогидравлическим регулятором мощности необходимо обеспечить работу с оптимальными энергетическими характеристиками, обеспечивающими минимум расхода электроэнергии на тонну выплавленного металла, что невозможно без точного определения характеристик гидравлического привода.

Электрогидравлический регулятор мощности представляет собой комплексную систему, содержащую в себе электрические, гидравлические и механические компоненты. Он состоит из системы управления, основанной на программируемом логическом контроллере, гидравлической подсистемы, механической части, ответственной за удержание и перемещение электрода, а так же обратных связей по технологическим параметрам.

На основании изложенного задача совершенствования электрогидравлического регулятора мощности дуговой печи является актуальной.

Цель диссертационной работы — разработка усовершенствованного электрогидравлического регулятора мощности и системы управления процессом плавки в дуговой печи, обеспечивающих повышение эффективности электрических и технологических режимов плавки и 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 и механизмов, уровня и тенденций развития систем управления и приводов перемещения электродов, конструктивных и компоновочных решений печей.

2. Разработка уточненных моделей электрогидравлического привода перемещения электрода и регулятора мощности дуговой печи.

3. Экспериментальное исследование электрогидравлической и механической систем действующих печей с целью уточнения параметров модели.

4. Разработка методики и аппаратных средств для экспериментального исследования регуляторов мощности дуговых печей.

5. Исследование процессов зажигания дуги, с целью выявления влияния параметров регулятора мощности дуговой печи на качество и точность регулирования.

6. Исследование влияния периодических возмущений для выявления возможных резонансных областей в регуляторе мощности дуговой печи.

7. Реализация системы и разработка алгоритмов управления режимами печи, обеспечивающих повышение энергетической эффективности процесса плавки, увеличение производительности, обеспечивающие снижение стоимости конечной продукции.

В первой главе проводится анализ тенденций развития дуговых печей, систем управления и приводов перемещения электродов. Рассматриваются особенности технологического процесса плавки дуговой печи.

Во второй главе на основе экспериментальных данных разрабатывается уточненная модель гидравлического привода перемещения электродов дуговой печи. С помощью полученной модели проводятся исследования работы привода в различных режимах, предлагаются и обосновываются методы улучшения характеристик существующего электрогидравлического привода. Показана, целесообразность введения в электрогидравлический привод перемещения, электродов отрицательной обратной связи по скорости, повышающей быстродействие регулятора и расширяющей диапазон регулирования скорости. Предложен и исследован адаптивный регулятор скорости перемещения штока исполнительного гидроцилиндра, обеспечивающий независимость показателей качества переходных процессов при изменении задания скорости.

Третья глава посвящена синтезу и исследованию регулятора мощности дуговой печи в режиме зажигания дуги. Определены области допустимых значений параметров регулятора, обеспечивающих его устойчивую работу. Выявлено существенное влияние на устойчивость работы системы во всех режимах максимальной скорости перемещения электрода, которая для литейного класса печей не должна превышать из условий устойчивости работы системы 1,5−2 м/мин. Рассмотрено влияние инерционности датчиков обратной связи на показатели качества системы. Показано, что гармонические возмущения в канале обратной связи в реализуемом диапазоне частот не приводят к возникновению резонансных явлений, поскольку система обладает достаточным внутренним демпфированием.

В четвертой главе разрабатывается методика экспериментального исследования на действующей дуговой печи механической и гидравлической частей регулятора мощности, проводится экспериментальное определение вида и параметров элементов, входящих в его состав. Проводятся экспериментальные исследования разработанного регулятора на действующей дуговой печи. Уточняются алгоритмы управления и приводятся рекомендации по проектированию и наладке регулятора мощности дуговой печи, реализованного в виде современной двухуровневой иерархической системы, включающей в себя промышленный компьютер и программируемый универсальный контроллер.

Результаты диссертационной работы внедрены и использованы в ООО «НПФ КОМТЕРМ», г. Москва при разработке дуговой печи ДПС-12 для литейного завода ООО «ВКМ-Сталь», г. Саранск и модернизации печи ДСП-25 литейного производства ООО «Промтрактор-Промлит», г. Чебоксары, где в результате внедрения получено 5% сокращение расхода электроэнергии на плавку и 1 0% сокращение длительности плавки.

Выводы по главе 4.

1. Разработана методика экспериментального исследования электрогидравлического привода перемещения электродов непосредственно дуговой печи, включающая в себя определение характеристик электрической, гидравлической и механической частей.

2. Предложена методика определения параметров регулятора мощности и печи на основе каталожных данных и экспериментов, пригодная для рассматриваемого класса печей и определяющая основные параметры работы регулятора, необходимые для его проектирования.

3. Показана возможность реализации и целесообразность использования линейного датчика скорости перемещения электрода для повышения быстродействия регулятора мощности дуговой печи.

4. Показана возможность и целесообразность определения уточненных параметров электрогидравлического привода перемещения электрода на основе экспериментальных исследований на действующей дуговой печи.

5. Экспериментально доказано функционирование предложенной двухуровневой системы управления дуговой печью и разработанного алгоритма управления, обеспечивающего снижение на 5% расхода электроэнергии на плавку и на 10% продолжительности плавки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основании разработанной уточненной модели электрогидравлического привода предложена и апробирована структура адаптивного электрогидравлического регулятора мощности, обеспечивающего инвариантность показателей качества переходных процессов при изменении скорости.

2. Показана целесообразность введения в электрогидравлический привод перемещения электродов отрицательной обратной связи по скорости, позволяющий уменьшить время переходного процесса примерно в 6 раз, что позволило уменьшить длительность плавки примерно на 10% .

3. Выявлено существенное влияние на устойчивость работы системы во всех режимах максимальной скорости перемещения электрода, которая для рассматриваемого класса печей не должна превышать 1,5 — 2 м/мин.

4. Установлено существенное влияние постоянной времени фильтров в канале обратной связи на величину перерегулирования, времени регулирования, запаздывания и амплитуду установившихся колебаний перемещения электрода, и показано, что для рассматриваемого класса печей имеет место оптимальное по критерию минимума амплитуды установившихся колебаний и величины запаздывания значение постоянной времени фильтра, составляющее 1 с.

5. Установлено отсутствие резонансных явлений в системе регулирования при изменении круговой частоты в диапазоне 0,6< сов < 31,5 рад/с. Система обладает достаточным внутренним демпфированием, исключающим возникновение резонансных явлений.

6. Предложена методика определения параметров регулятора мощности и печи на основе каталожных данных и экспериментов, пригодная для рассматриваемого класса печей и определяющая основные параметры работы регулятора, необходимые для его проектирования.

Реализация системы, включая структуры привода и алгоритмы, выполненная на печах постоянного и переменного тока ДПС-12 и ДСП-25, разработанных фирмой ООО «НПФ КОМТЕРМ» и внедренных на заводах ООО.

ВКМ-Сталь" и ООО «Промтрактор-Промлит», показала, что предложенные в работе решения обеспечивают нормальное функционирование системы в целом и повышение эффективности ее работы. Снижение расхода электроэнергии на плавку составило 5%, уменьшение длительности плавки — 10%.

Результаты диссертации используются на кафедре ФЭМАЭК МЭИ (ТУ) в учебном процессе.