Разработка системы управления дуговой печью постоянного тока

На  правах рукописи  
 
 
 
 
 
 

    Нехамин Илья Сергеевич 
 

    РАЗРАБОТКА  СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДУГОВОЙ ПЕЧЬЮ  ПОСТОЯННОГО ТОКА

    Специальность 05.09.10 - Электротехнология

 
 
 

    АВТОРЕФЕРАТ 

    диссертации на соискание ученой степени 

    кандидата технических наук 
 
 
 
 
 
 

    Москва  – 2009

    Работа  выполнена в ГОУВПО «Московский  энергетический институт (технический  университет)» на кафедре Физики электротехнических материалов и компонентов  и автоматизации электротехнологических комплексов

    Научный руководитель    доктор технических наук, профессор

     Рубцов  Виктор Петрович 

    Официальные оппоненты       доктор технических наук, профессор

                                        Макаров Анатолий Николаевич 

                                        кандидат технических  наук,

                                        Легович Юрий Сергеевич 

Ведущая организация Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Государственный технологический университет "Московский институт стали и сплавов” (МИСИС)   

    Защита  диссертации состоится 22 мая 2009 г. в аудитории М-611 в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14

    Отзывы  на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направить  по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ)

    С диссертацией можно ознакомиться в  библиотеке ГОУВПО МЭИ (ТУ) 

    Автореферат разослан    «21»  апреля 2009 г. 

    Ученый  секретарь 

    диссертационного  совета      

    кандидат  технических наук, профессор    Цырук С.А.

    ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

    Актуальность  темы обусловлена недостаточной проработанностью методик, позволяющих проводить анализ и синтез систем управления током в дуговых сталеплавильных печах постоянного тока (ДПС), что вызвано, с одной стороны, недостаточным опытом эксплуатации ДПС, а с другой, - сложностью и нелинейным характером самого объекта управления. Эффективные электрические и технологические режимы работы печи обеспечиваются при проектировании системы управления печи по методикам, учитывающим влияние различных факторов. Диссертационная работа содержит описание соответствующих методик, практические рекомендации, результаты моделирования и промышленных испытаний. Применение этого инструмента позволит снизить как капитальные затраты на установку вновь разрабатываемых печей, так и эксплуатационные затраты действующих печей.

    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.

    Рассматриваемый класс дуговых сталеплавильных  печей постоянного тока относится  к мощной электрической нагрузке, установленная мощность которой  достигает 20 МВА.

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

    Цель  диссертационной  работы - разработка комплекса методик моделирования и проектирования системы управления дуговых сталеплавильных печей постоянного тока, обеспечивающих  минимизацию капитальных затрат при повышении энергетической эффективности работы разрабатываемых установок.

 

     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.
2. Разработка методики анализа и синтеза регулятора тока дуговой печи постоянного тока.
3. Разработка уточненных моделей системы  регулирования тока, включающих модель электрической дуги.
4. Исследование влияния пульсаций выпрямленного напряжения управляемого выпрямителя на режимы работы дуговой печи постоянного тока.
5. 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.
6. Разработка методики и аппаратных средств экспериментальных исследований характеристик технологического процесса и работы системы.
7. Разработка алгоритмов управления тепловым и электрическим режимами печи постоянного тока, обеспечивающей повышение эффективности процесса плавки, приводящее к снижению эксплуатационных затрат.

    Методы  исследования

    При решении поставленных в диссертационной работе задач использованы: положения теории автоматического управления, теоретических основ электротехники, методы математического моделирования, теории теплопередачи. При проведении расчетов использовались программные пакеты структурного имитационного моделирования. Экспериментальные исследования проводились на действующем технологическом оборудовании и разработанных аппаратных и программных средствах.

    Обоснованность  и достоверность  научных результатов подтверждается корректностью принимаемых допущений, обоснованностью принятых методов исследований и  совпадением теоретических и экспериментальных данных, полученных на действующей установке.

    Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Определены требования к составу и характеристикам источника питания постоянного тока, обеспечивающего условия горения дуги в различных режимах работы печи, и обоснована целесообразность совершенствования регулятора тока для повышения эффективности процесса плавки.
2. На основании теоретических и экспериментальных исследований уточнены зависимости параметров регулятора тока от динамического изменения параметров электрической дуги и тепловых процессов на различных стадиях плавки.
3. Предложены и экспериментально обоснованы модели регулятора тока для различных режимов работы управляемого выпрямителя и печи (режимы зажигания дуги, обрыва дуги и т.д.)
4. Предложена методика и разработаны модели регулятора тока, учитывающие влияние пульсаций выпрямленного напряжения и нелинейных характеристик параметров короткой сети на процессы зажигания дуги.

    Практической  значимостью обладает предложенный в работе комплекс методик исследования и проектирования, позволяющих проводить анализ и синтез систем питания и управления, а также методики экспериментального исследования процесса плавки. Научные и технические решения, предложенные в работе, использованы ООО «НПФ КОМТЕРМ» при выполнении работ по разработке, изготовлению и наладке дуговой сталеплавильной печи постоянного тока установленной мощностью 9,6 МВА емкостью 12тонн для ООО «ВКМ-Сталь» г.Саранск. При настройке системы применены методы, предложенные в работе при исследовании объектов управления.

    Апробация работы

    Основные  результаты и положения диссертационной  работы докладывались и обсуждались  на одиннадцатой международной научно-технической конференции с международным участием Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, Всероссийской научно-технической, проходившей в г. Екатеринбурге:, в 2006 г. (АПЭЭТ-2006), Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (2008г), семинарах кафедры ФЭМАЭК и научно-технических семинарах в ООО «НПФ КОМТЕРМ» (2006-2008 гг).

    Публикации

    Основные  результаты диссертации изложены в 7 печатных работах, в том числе 2 – в изданиях, рекомендованных  ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, и патенте.

    Структура и объем диссертации.

    Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 71 наименований, содержит 122 страниц основного текста и 32 иллюстрации.

    Содержание  работы.

    Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, дается общая характеристика работы. 

    Первая  глава посвящена анализу особенностей конструкции и технологического процесса плавки дуговой печи постоянного тока, требований к источнику питания и системам управления процессом плавки.

    Выявлены технологические особенности ДПС в сравнении с печами переменного тока. В печах постоянного тока есть возможность использовать два канала управления мощностью, что позволяет получить более равномерное распределение температурного поля, снизить расход электродов и улучшить экологические характеристики. В отличие от печей переменного тока управление процессом плавки в печах постоянного тока обеспечивается двумя системами регулирования: системой регулирования напряжения путем перемещения электрода и системой регулирования тока, построенной на базе управляемого выпрямителя. Показано, что наиболее значительное влияние на режимы работы электрооборудования и ход технологического процесса плавки оказывает система управления током печи. Как показал проведенный анализ, задачи построения регулятора тока нельзя считать полностью решенными.

    Вторая  глава посвящена разработке системы регулирования тока, включающей модель электрической дуги.

    

    Рис. 1 Функциональная схема  регулятора тока

    В результате ранее проводившихся  исследований была построена эмпирическая зависимость параметров дуги от введенной  электроэнергии. Выражение теплового состояния в печи через введенную электроэнергию удобно для использования при управлении процессом плавки.

    Модель дуговой печи постоянного тока, работающей в интервале токов от 0,1 до 36 кА можно представить в виде выражения:

     (1),

    где - напряжение дуги, В; I - ток дуги, А; L – длина межэлектродного промежутка, м; ; ; ; - конечная наивысшая за плавку температура нагрева жидкого металла; - текущая средняя температура расплавляемой шихты, определяемая как

      (2),

    где Q – энергия, израсходованная с  начала плавки по счетчику, G – масса  металлозавалки;  ς - средняя удельная теплоемкость металла.

    Влияние на вольтамперные характеристики дуги различных электрических и тепловых параметров печи иллюстрируют графики, приведенные на рис.2.

    Многомерные зависимости параметров дуги постоянного  тока от введенной энергии  Q  и длины дуги  l, приведенные на рис. 2 б, в, г иллюстрируют качественные и количественные изменения напряжения на дуге при изменении технологического режима. В частности, при увеличении среднемассовой температуры шихты напряжение на дуге постепенно уменьшается. Указанные зависимости были положены в основу разработанной многомерной модели, учитывающей характеристики дуги постоянного тока.

    На  основании экспериментальных исследований и печи постоянного тока и используемых в практике исследований тиристорных  выпрямителей была разработана модель регулятора тока печи, представленная в виде структурной схемы.

    Рис. 2.  Характеристики дуги а, б  (lдуги=0,005м), в (lдуги=0,05м), г (lдуги=0,5м) для различных длин печной дуги