книги из ГПНТБ / Пирожников, В. Е. Автоматизация контроля и управления электросталеплавильными установками

Дуга гаснет при величине питающего напряжения, равного Ua (напряжение погасания), т. е. раньше перехода напряжения сети U через нуль. На отрезке, соответствующем углу 2а, дуга не горит.

При наличии в цепи индуктивного сопротивления сила тока и напряжение дуги изменяются по кривым, представленным на

В данном случае ток дуги будет протекать непрерывно, а кривая напряжения дуги будет представлять собой ряд прямоугольников без разрыва. Таким образом, наличие индуктивности в цепи горящей дуги стабилизирует ее.

Условие непрерывного горения дуги заключается в том, чтобы при переходе силы тока через нуль напряжение источника питания было равно или больше напряжения зажигания дуги, т. е.

напряжения дуги промышленных печей отличаются от теоретических, описанных выше. Условия горения дуги и характер осциллограмм отличны в различные периоды плавки. На рис. 10 изображены типич­ ные осциллограммы формы кривых напряжения и силы тока дуги сталеплавильной печи.

Для осциллограмм напряжения дуги периода плавления харак­ терны пики зажигания; нестабильность напряжения дуги сопро­ вождается большим числом изменений его, достигающим 2000 и более в секунду; мгновенные изменения напряжения в течение одного полупериода достигают 50—80% от его среднего значения.

Р и с . 10. Эксперимен­ тальные осциллограммы напряжения Uд и силы тока і дуги в сталепла­ вильной печи:

20

Характерным для данного периода является явное «вентильное» действие дуги, выражающееся в том, что напряжение дуги, как правило, больше, а сила тока меньше в полупериоды, когда катодом служит металл (рис. 10, а).

К моменту, когда электрод прорезает толщу шихты, на дне колодца образуется лужица жидкого металла, и дуга начинает гореть на ее поверхности. Тепловые условия горения дуги в этот период значи­ тельно улучшаются. Длительные обрывы дуги прекращаются, и она начинает гореть непрерывно; кривая силы тока в это время в той или иной степени отличается от синусоиды (рис. 10, б).

В период рафинирования в печи нет твердой завалки, и дуга на­ правлена на поверхность жидкого металла. В это время почти цели­ ком исключаются короткие замыкания электрода с металлом. Таким образом, в период рафинирования в ванне печи создаются весьма благоприятные тепловые условия для горения дуги. Дуга горит спокойнее и устойчивее.

Осциллограммы напряжения дуги (рис. 10, в) становятся еще более плавными и все больше приближаются по форме к синусоиде.

На основании экспериментального исследования мощного дуго­ вого разряда [5] получено следующее выражение для напряжения

жения столба дуги), В/мм.

Величина суммы падений напряжений у анода и катода зависит от материала электродов и изменяется в ходе плавки в дуговых пе­ чах от 9 до 30 В.

По мере разогрева ванны печи величина ß падает. Так, вначале расплавления ß = 10-j- 12 В/мм, при расплавлении металла и нали­ чии шлака ß = 1,5^-3,8 В/мм, а восстановительный период ß дости­ гает 0,7— 1,1 В/мм. Таким образом, при неизменных параметрах установки ß изменяется в процессе плавки примерно в 10 раз. Так как длина дугового разряда зависит от ß, она по ходу плавки изме­ няется

Если рассматривать дуговую сталеплавильную печь как после­ довательно соединенные сопротивления дуги и активное и реактив­ ное сопротивления установки, включенные на питающее напряже­ ние U, то можно написать

где х и г — приведенные ко вторичному напряжению индуктивное и активное сопротивления печной установки.

21

Уравнение (1-15) показывает, что длина дуги возрастает с увели­ чением фазного напряжения печи и уменьшается с увеличением приведенных активного г и реактивного х сопротивлений печной установки и величины падения напряжения а. Из уравнения (1-15) также следует, что чем больше ß, тем меньше изменение длины дуги приводит к существенному изменению силы тока печи и тем меньшие перемещения электрода требуются для устранения возмущения дан­ ной величины. При неизменном напряжении сети для каждой печи можно найти связь между величиной зоны нечувствительности по току и изменением длины дуги Ьд [6].

Производная от длины L по току определится из уравне­ ния (1-15):

(1-16)

Отсюда можно определить приближенное значение изменения длины АЬД, соответствующее ширине зоны нечувствительности регу­ лятора по току (—2А7)

(1-17)

Так как градиент столба дуги ß изменяется по ходу плавки при­ мерно в 10 раз, соответственно меняется и величина АЬд при неиз­ менной зоне нечувствительности регулятора по току.

Более точное значение Тд, полученное при разложении в ряд Фурье, равно

(1-18)

Из уравнения (1-18) можно сделать вывод, что ширина зоны нечувствительности регулятора по длине дуги не зависит от падения напряжения а, линейно растет с шириной зоны нечувствительности по току, уменьшается с уменьшением силы рабочего тока печи и заметно растет с ростом индуктивного сопротивления токоподво­ дящей сети и снижением вторичного напряжения трансформатора.

На рис. 11 показана зависимость между длиной видимой части столба дуги і д и силой тока в 20-т промышленной дуговой печи при различных напряжениях на дуге. Длину дуги определяли

22

по фотоснимкам между цен­ трами пятен электрода и поверхностью металлической ванны. Полученные кривые не претендуют на универсаль­ ность, потому что само изме­ рение длины дуги очень сложно и не дает точных зна­ чений. Кроме того, на длину дуги влияют и другие фак­ торы, например, диаметр электрода,реактивность уста­ новки, условия ионизации и др. Однако кривые подтвер­

ждают, что длина дуги зависит не только от напряжения, но в зна­ чительной мере и от силы тока. Таким образом, при увеличении емкости и мощности печи повышение рабочего напряжения не при­

С увеличением силы тока растет диаметр пятна дуги, сопротивление ее падает, изменяется длина.

Для сохранения в определенных границах силы тока и подводи­ мой к печи мощности необходимо регулировать длину дуги. Она возрастает с увеличением напряжения при сохраняющей силе тока и уменьшается с повышением силы тока при постоянном напряжении.

При увеличении силы тока возрастает глубина мениска образуе­ мой дугой на ванне, и дуга больше погружается в ванну. Рассма­ тривая рис. 11, можно сделать вывод, что при напряжении на дуге, равном 60— ПО В и силе тока 35—45 кА, длина открытой части должна быть равна нулю. При этом вся электроэнергия дуги преоб­ разуется в тепловую в замкнутом пространстве, ограниченном элек­ тродом и ванной.

низких степенях рабочего напряжения.

4. Коэффициент усиления регулируемого объекта

Уравнение вторичного напряжения электропечной установки

Если мощность электрической системы велика, то при малых возмущениях можно принять, что U = const*.

* В а й н б е р г А. М. Исследование современных электромашинных систем регулирования дуговых электропечей. Автореф. канд. дис. М., 1949.

23

Выполняя алгебраические преобразования и пренебрегая малыми

или

r + P

X 2 + r 2 -fr p '

Если рассматривать дуговую электропечь как звено системы автоматического регулирования и принять длину дуги за входную величину, а силу тока, измеряемую регулятором, — за выходную, тогда уравнение (1-25) определяет величину коэффициента усиления дуговой электропечи по току, выраженную в абсолютных единицах (А/мм), при / = / н, U = UH.

Если выходной и регулируемой величиной считать напряжение на дуге, то коэффициент усиления объекта по напряжению будет равен

(1-26)

= i Z T = ß-

24

Коэффициент Кц, определяемый величиной ß, изменяется в широ­ ких пределах при изменении условий горения дуги. Когда измеряе­ мыми параметрами являются сила тока и напряжение дуги, сумма изменений этих величин, соответствующая перемещению электрода

Так как обычно регуляторы поставляются комплектно с двига­ телями [6], то на практике для оценки печи как регулируемого объ­ екта весьма полезно определить величину

и двигателе, но при различных исполнительных механизмах (различ­ ном передаточном отношении К = ѵігі) и электрических параметрах печи изменяются условия регулирования. Чем больше величина

КККК, тем больше относительное изменение силы тока печи при повороте вала двигателя на 1 оборот, тем меньше устойчивость системы.

5. Элементы автоматических регуляторов мощности и их классификация

Структурная схема системы автоматического регулирования мощ­ ности, показывающая связь между отдельными ее элементами, приведена на рис. 12. Регулируемым объектом 1 является одна из фаз трехфазной дуговой печи. Регулятор представляет собой сово­ купность устройств, позволяющих сравнивать измеряемую величину с заданной и устранять возникающие отклонения от заданного зна­ чения воздействием на длину дугового разряда.

Основными элементами регулятора являются: элемент измерения

исравнения 2, усилительный элемент 3, исполнительный механизм 4

изадающий элемент 5. Перечисленные элементы имеются во всех регуляторах. Ряд дополнительных стабилизирующих элементов 6— 8 обычно предусматривают в более сложных и совершенных регуля­ торах.

Элемент измерения и сравнения содержит чувствительные устрой­ ства, служащие для измерения и сравнения регулируемой величины с заданными значениями. Сигнал, пропорциональный разности сравниваемых величин, поступает на усилительный элемент регуля­ тора, где усиливается, и воздействует на исполнительный механизм,

25

мент 6 образует отрицатель ную обратную связь между исполнительным механизмом 4 и эле ментом 2, изменяя результаты сравнения в функции скорости переме щения электрода. Элемент 9 осуществляет дополнительную связь между объектом регулирования 1 и измерительным элементом 2, изменяя результаты сравнения в зависимости от недобора или пере­

бора мощности.

В некоторых регуляторах предусматривают еще программный датчик 8, позволяющий изменять эффективность действия обратных связей.

Такое усложнение структурной схемы системы регулирования мощности дуговой печи дополнительными стабилизирующими эле­ ментами обусловлено желанием приспособить ее к удовлетворению сложных требований, предъявляемых к ней сталеплавильным агре­ гатом. Этим же объясняется и многообразие разработанных типов и конструкций регуляторов.

Системы автоматического регулирования мощности дуговых ста­ леплавильных печей можно классифицировать по различным показа­ телям. По виду структурной схемы они подразделяются на:

1)регуляторы с обратной связью пропорционально измеряемой величине (элемент 7);

2)регуляторы с обратной связью пропорционально скорости

перемещения электрода (элемент 6); 3) регуляторы с программным изменением жесткости обратной

связи во времени (добавляется элемент 8, действующий совместно

сэлементами 7 и ff);

4)регуляторы с коррекцией мощности (добавляется элемент 9,

действующий совместно с элементами 7 и 6).

26

По примененному типу привода регуляторы делятся на 1) регуля­ торы с электромеханическим приводом и 2) регуляторы с гидравли­ ческим приводом.

6. Чувствительность, быстродействие и устойчивость систем регулирования электродов

Крегуляторам мощности дуговых печей предъявляют требования

вотношении высокой чувствительности и быстродействия при сохра­ нении устойчивости регулирования.

Под шириной зоны нечувствительности понимают величину

где А j , А 2— минимальные значения регулируемого параметра соот­ ветственно в положительном и отрицательном напра­

Для дифференциальной системы регулирования параметр регу­

где b и с — постоянные.

Впределах зоны нечувствительности изменения напряжения ничтожно малы и не превышают 2% [7], поэтому для зоны нечувстви­ тельности дифференциальных регуляторов можно принять то же выражение (1-31).

Врелейно-контакторных и других аналогичных системах авто­

матического регулирования уменьшению нечувствительности пре­ пятствует трение в измерительном устройстве. В регуляторах с элек­ тромашинными магнитными и другими аналогичными усилителями величина зоны нечувствительности (в пропорциональном режиме) определяется моментом сил трения и моментом от неуравновешения электрододержателя с электродом, приведенными к валу двигателя, и может быть выражена через эти моменты и параметры системы

•• 27

Из формулы (1-32) следует, что ширина зоны нечувствительно­ сти В тем уже, чем меньше момент, обусловленный неуравновешен­ ностью системы, и меньше момент сил, вредных сопротивлений, а также чем меньше сопротивление главной цепи двигателя и чем больше коэффициент усиления регулятора.

Возможность повышения нечувствительности регулятора в ре­ зультате увеличения коэффициента усиления очень ограничена, так как это приводит к снижению устойчивости работы системы регули­ рования.

Чувствительность гидравлического регулятора характеризуется в общем виде отношением максимальной ошибки (погрешности) к ходу золотника распределителя, причем под ошибкой системы пони­ мают рассогласование в перемещениях входа (золотника) и выхода (силового поршня), которое характеризует точность отработки системой входного сигнала [8].

Необходимость возможно более быстрой ликвидации всяких нару­ шений заданного режима, и особенно таких, как короткие замыкания и обрывы дуги, приводит к необходимости повышения быстродей­ ствия системы автоматического регулирования мощности дуговых печей.

Степень быстродействия систем регулирования зависит от их конструктивных параметров и характеристик (длительности переход­ ных электромагнитных и электромеханических процессов, величины зоны нечувствительности и зазоров в звеньях механизмов, переда­ точного отношения механизма и прочих параметров, определяю­ щих статическую точность системы).

Наиболее важным из этих параметров, если не учитывать зазоров и сил трения, является инерционность элементов привода, особенно имеющих большие скорости перемещения. Для процесса разгона уравнение движения будет иметь вид

Из этого уравнения следует, что для изменения скорости движе­

28

Из уравнений (1-34) и (1-35) следует, что время разгона или тор­ можения пропорционально суммарному моменту инерции всей системы, приведенному к валу двигателя.

Чтобы уменьшить время разгона и торможения системы, необхо­ димо в первую очередь уменьшить момент инерции тех частей, ско­ рость которых велика. В механизмах, приводимых в действие от электродвигателей, основная инерция вращающихся частей сосредо­ точена в якоре двигателя, имеющим наибольшую скорость вращения.

Другим способом уменьшения времени разгона и торможения является форсирование. Одним из методов форсированного тормо­ жения является, например, динамическое торможение или противо­ ток. Помимо инерционности системы, сказывающейся на времени переходного процесса, большое влияние на качество регулирования могут оказывать запаздывания, вызванные неудовлетворительным выполнением механизма перемещения электродов, люфтами, зазо­ рами, проскальзываниями.

Так, в гидравлических приводах, в которых инерция движу­ щихся частей мала, решающее значение на переходный процесс оказывает запаздывание, составляющее 0,05—0,1 с. В электромеха­ нических приводах это запаздывание может быть сведено при очень качественном исполнении механизмов до 0,1 с., но может достигать и 0,5—0,6 с.

Вредное влияние оказывают также упругие звенья, вызывающие дополнительные колебания электродов, как, например, троссовая передача при электромеханическом приводе или резиновые шланги для подачи рабочей жидкости к силовым цилиндрам при гидравли­ ческом приводе. Современная промышленная дуговая печь является трехфазным агрегатом без нулевого привода и всякое изменение режима в одной из фаз вызывает нарушение в других фазах даже при правильных положениях электродов.

Существующие системы регулирования не позволяют автономно регулировать фазы, поэтому в какой-то степени дополнительные перемещения электродов неизбежны. Известно, что для анализа устойчивости систем регулирования электродов дуговых сталепла­ вильных печей, кроме обычных критериев устойчивости, необходимо учитывать ограниченность области существования электрической

В общем виде критерий ограничения перерегулирования можно представить следующим выражением [9]:

29