Разработка системы управления дуговой печью постоянного тока (стр. 3 из 4)
Для получения обобщающих закономерностей, применимых для класса дуговых печей различной мощности, в работе предложено использовать систему относительных величин, в которой за базовое время принято частота питающей сети, за базовое напряжение номинальное значение выпрямленного напряжения, а за базовый ток – номинальный ток печи.
Нелинейность вольтамперной характеристики дуги проявляется в работе регулятора том, что минимально допустимое значение постоянной времени короткой сети Tк* зависит не только от величины и частоты пульсаций выпрямленного напряжения, но и от задания тока i*з регулятора. На основании анализа условий зажигания дуги при различных значениях задания тока и частоты пульсаций выпрямленного напряжения были получены сравнительные зависимости необходимого превышения постоянной времени Tк короткой сети относительно постоянной времени выпрямителя Tп -λ = Tк/Tп, приведенные на рис. 9. Оказалось, что диапазон изменения минимально допустимой постоянной времени короткой сети Tк от задания тока i*з очень велик, поэтому зависимости на рис. 9 для наглядности сравнения построены в логарифмическом масштабе.
Рис. 9. Граничные зависимости параметров короткой сети, при которых выполняется условие I>0
В работе также исследовалось влияние параметров регулятора на качество работы системы регулирования тока. Предыдущие исследования проводились в предположении, что датчик тока является безинерционным. Однако, практическая реализация безинерционного датчика тока невозможна. Наличие преобразования сигналов и фильтров в канале обратной связи приводит к увеличению постоянной времени датчика тока. Как показали исследования, устойчивая работа регулятора тока обеспечивается при постоянной времени в канале обратной связи не более 200 мкс. Характерно, что предельно допустимое значение инерционности в канале обратной связи инвариантно относительно частоты пульсаций выпрямленного напряжения.
В работе также было проведено исследование влияния квантования по времени. Учет квантования по времени в цифровом регуляторе тока обеспечивается введением в прямой канал и канал обратной связи звеньев запаздывания с передаточной функцией Wз(p) = e -τз p. Время запаздывания τз, в канале обратной связи по току определяется временем преобразования tт сигнала обратной связи в аналого-цифровом преобразователе, а в прямом канале управления - временем реализации алгоритма управления tу. Установлено, что максимально допустимое по критерию устойчивости системы даже в режиме короткого замыкания квантование по времени в регуляторах тока дуговой печи постоянного тока не должно превышать 240 мкс. Превышение времени квантования предельно допустимого значения, определяемого неравенством tз > 240 мкс, приводит к нарушению устойчивости регулятора. Это условие сохраняется как при 12-ти, так и при 6-ти тактной пульсности схемы выпрямления.
Исследовано влияние зависимости требуемой индуктивности сглаживающего дросселя от тока и установлено положительное влияние нелинейности дросселя на стабилизацию процесса горения дуги, особенно при наличии пульсаций выпрямленного напряжения.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментального исследования и реализация системы управления режимом работы дуговой печи постоянного тока.
Экспериментальные исследования проводились, как на промышленной сталеплавильной печи постоянного тока ДПС-12, так и на специально разработанном стенде, использованном для отработки наладки источника питания. Функциональная схема стенда (общий вид стенда) приведен на рис. 10,а. Стенд позволяет проводить исследования работы выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку с дугой в режимах короткого замыкания, зажигания дуги, сброса и наброса нагрузки. Дуговая нагрузка при испытаниях имитировалась сварочными электродами, соединенными параллельно. Работу источника питания на дуговую нагрузку иллюстрируют осциллограммы, приведенные на рис.10,б, на которых приведены кривые изменения тока, напряжения и мощности в режиме ручного зажигания дуги и последующего увеличения её длины до погасания. Осциллограммы показывают, что источник питания обеспечивает устойчивое горение дуги, стабилизацию тока при изменении длины дуги и не вызывает перенапряжений при её погасании, т.е. предлагаемый источник питания удовлетворяет требованиям, предъявляемым дуговой установкой постоянного тока. Полученные осциллограммы согласуются с осциллограммами, приведенными в гл. 2 и 3.
 а) |  б) |
Рис. 10. Общий вид (а) и осциллограммы (б), снятые на стенде для испытания источника тока дуговой печи
На основании проведенных исследований была разработана система управления дуговой плавильной печью постоянного тока мощностью 9600 МВА (рис.11).
Система построена в соответствии с двухуровневой иерархической структурой. Верхний уровень иерархии (рис.11,б) включает в себя промышленный компьютер с системой визуализации хода процесса и состояния агрегатов печи. Нижний уровень образован универсальным программируемым контроллером и исполнительными элементами, управляющими током печи, перемещением электрода и вспомогательными механизмами, определяющими ход технологического процесса. На рис.11,а показан общий вид реализованной системы управления печью.
 а) |  б) |
Рис. 11. Система комплексного управления
Исследования работы печи с предложенной системой управления проводилось с использованием разработанного при участии автора исследовательского комплекса, входящего в состав системы управления печью. Комплекс позволяет регистрировать основные электрические и тепловые величины, определяющие работу печи, архивировать с возможностью передачи и просмотра данных по каждой конкретной плавке и группе плавок, а также проводить первичную обработку полученной информации для последующего анализа. Кроме того, разработанный комплекс позволяет снимать различного рода регистрограммы, иллюстрирующие изменение электрических и тепловых величин (см. рис.12).
Экспериментальные исследования работы системы управления, использующей разработанные алгоритмы и методики, подтверждают реализуемость, работоспособность системы и соответствие графиков, полученных экспериментально и теоретически.
Рис.12 Регисторограммы режима плавки в ДПС-12
В заключении обобщены основные результаты и выводы по работе.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
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 заданного качества регулирования. Обоснован вывод о целесообразности совершенствования регулятора тока.
2. На основе многофакторной модели дуги печи постоянного тока построена структура регулятора тока, позволяющая анализировать зависимости, связывающие параметры короткой сети и сглаживающего дросселя с параметрами ПИД-регулятора тока, при которых обеспечивается заданное качество регулирования.
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 системы регулирования тока печи показана целесообразность построения адаптивного регулятора тока, обеспечивающего автоматическую подстройку параметров 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, при которых обеспечивается выполнение условияI>0, в зависимости от величины и частоты пульсаций для схем выпрямления с различной пульсностью. Установлено существенное влияние пульсаций выпрямленного напряжения, приводящее к ухудшению условий горения 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 не должно превышать 240мкс и инвариантно относительно частоты и величины пульсаций.
7. Разработанная методика экспериментальных исследований системы управления дуговой печью постоянного тока позволила уточнить модель системы, параметры её элементов, а проведенные на промышленной печи исследования подтвердили реализуемость и работоспособность предлагаемой системы регулирования.
8. Даны рекомендации по построению системы управления дуговой печью постоянного тока на базе иерархической системы, включающей в себя центральный промышленный компьютер и локальные регуляторы на программируемых контроллерах, управляющие отдельными подсистемами регулирования тока дуги, напряжения дуги и вспомогательными механизмами печи.
9. Предложен комплекс методик проектирования, позволяющих проводить анализ и синтез систем питания и управления дуговыми печами постоянного тока.