CC BY
10
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 243 1972
МАЛОИНЕРЦИОННОЕ УПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛЯТОРОВ МОЩНОСТИ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
В. А. БЕИНАРОВИЧ, Н. Г. ВОЛКОВ
(Представлена научно-техническим семинаром НИИ АЭМ при ТПИ)
В настоящее время большинство отечественных дуговых сталеплавильных печей оснащено регуляторами мощности дуги, содержащими электромашинный (или магнитный) усилитель, исполнительный двигатель постоянного тока и устройство управления, называемое задатчи-ком мощности дуги, упрощенная схема которого показана на рис. 1.
Недостатком таких регуляторов является большая инерционность исполнительного двигателя и усилителя, что приводит к значительному перерасходу электроэнергии в процессе плавки, особенно в период расплавления, когда режимы короткого замыкания (при обвале шихты) чередуются с режимами холостого хода (при обрывах дуги).
Повышение быстродействия регуляторов мощности позволяет повысить производительность печей, снизить стоимость передела одной тонны стали и улучшить ее качество.
При разработке быстродействующих регуляторов мощности дуги возникают проблемы снижения инерционности исполнительного привода перемещения электродов, минимизация инерционности усилителя и устройства управления. Средства для реализации быстродействующих электромеханических систем известны — применение двигателей с гладким якорем, использование безынерционных тиристорных усилителей, создание оптимальных по быстродействию систем управления. Необходимым условием нормальной работы быстродействующего регулятора, очевидно, является также и безынерционность устройства задатчика мощности дуги.
Рассмотрим работу схемы рис. 1. На вход задатчика мощности дуги поступают два сигнала (рис. 2): переменное напряжение /У2, пропорциональное напряжению дуги и переменное напряжение 1]ъ пропорциональное току дуги Ль Напряжение II\ отстает по фазе от £/2 на угол ф, определяемый фазовым сдвигом тока дуги относительно напряжения. Угол ф изменяется в зависимости от режима работы печи. Форма напряжений их и 1/2 для реального режима работы (один из периодов плавки) показана сплошной кривой, усредненная — пунктирной. В результате двухполупериодного выпрямления и алгебраического суммирования напряжений 11\ и и2 на выходе задатчика мощности дуги получается напряжение £/у. При равенстве мощности дуги заданной величине напряжение £/у имеет пилообразную форму (рис. 2), но среднее значение напряжения иу равно нулю. Амплитуда напряжения иу составляет в этом режиме около 50% от амплитуды входных напряжений и и2 (при <р^30°).
5. Заказ 5178
65
Рис. 1. Задатчпк мощности дуги.
Рис. 2. Формы напряжений задатчика мощности дуги
Использование напряжения иу такой формы для управления электроприводами с электромашинным или магнитным усилителем и двигателем нормального исполнения не приводит к возникновению пульсаций тока и пульсирующих перемещений из-за значительной инерционности таких электроприводов.
При использовании быстродействующих электроприводов пульсации напряжения £/у уже воспринимаются системой как полезный сигнал, что приводит к появлению переменного тока в якоре исполнительного двигателя и может вызвать пульсирующие перемещения. Кроме того, в безынерционных тиристорных усилителях использование пульсирующего напряжения £/у (рис.2) вообще не допустимо, так как вызывает ложные отпирания тиристоров. Применение же сглаживающих фильтров ведет к увеличению инерционности задатчика мощности дуги и, следовательно, к снижению быстродействия регулятора.
Для снижения пульсаций напряжения на выходе задатчика мощ-
ности дуги без существенного увеличения его инерционности можно использовать искусственное увеличение числа фаз выпрямления напряжений 1]\ и 1)2 на основе параметрических фазовращательных схем. На рис. 3 показана схема такого задатчика мощности.
Исследования [2] показали, что при увеличении числа фаз выпрямления с двух до шести быстродействие слежения за изменением среднего значения входного сигнала увеличивается примерно в 30 раз при условии одинаковой пульсации выпрямленного напряжения. С увеличением числа фаз выпрямления всё в большей степени уменьшается пульсация и повышается быстродействие задатчика мощности при заданном уровне пульсации, что позволяет значительно повысить частоту пропускания системы регулирования в целом.
ным числом фаз выпрямления до шести
Определим основные соотношения для выбора параметров схемы рис. 3.
Рассмотрим в общем случае один мост фазовращателя, содержащий вторичную обмотку трансформатора со средней точкой и напряжением каждого плеча £/, плечо с реактивным элементом 1 (емкостное или индуктивное), плечо с резистором Я и резистором нагрузки /?н> включенным в диагональ моста. На основании законов Кирхгофа для моста фазовращателя можно записать следующие уравнения:
№ - н - и
/к + /„-/2 = 0
(1).
где /к, 1г и /н — соответственно токи плеч моста и нагрузки. Из (1) выражение для напряжения нагрузки будет иметь вид
ТТ — ТВ — 77__^Н__/9ч
н ЯЯн + (Я + Ян 2 ' (2)
откуда фазовый сдвиг напряжения на нагрузке £/н относительно питаю-, щего напряжения и на основной частоте определится
5* 67
где 2 = <о£ — для активно-индуктивного фазовращателя и
(3) о)С
для активно-емкостного фазовращателя.
Из выражения (3) определим величину которая обеспечивает получение заданного фазового сдвига <р при известных параметрах X и
Я
2(/?н1ёср - 2)
Относительное значение модуля напряжения на нагрузке опреде-
(4)
лится
где К
1Ы
- ^н (Я + Ян)]2 + К* (Я + 2Я„)2
[К2 + (Я + Ян)2]5
(5)
— при активно-индуктивном фазовращателе и /С=Л/?нСоС
при активно-емкостном фазовращателе.
Выражения (3—5) дают возможность исследовать влияние выбора параметров схемы на величину напряжения на нагрузке при заданном фазовом сдвиге.
Наилучшим режимом работы всего устройства, очевидно, будет такой режим, при котором модуль напряжения на заданной нагрузке остается постоянным при любом фазовом сдвиге. Однако исследования показывают, что выполнение этого условия требует значительного повышения мощности задатчика вследствие необходимости увеличения токов в плечах мостов фазовращателей. Кроме того, это ведет к увеличению габаритов реактивных элементов.
Оптимальные значения параметров задатчика мощности могут быть найдены из выражений (3—5) для заданной величины сопротивления нагрузки Ян и требуемого соотношения напряжения на нагрузке ия к напряжению полуобмотки трансформатора II. В результате проведенных исследований получены показанные на рис. 4 оптимальные зависимости емкости С реактивного плеча фазовращателя от величины нагрузки /?н при постоянстве отношения напряжения £/н к напряжению £/ь обеспечиваемом при любом фазовом сдвиге.
Ин Ш (ом)
Рис. 4. Зависимость ёмкости С от сопротивления нагрузки Ян в диагонали моста для отношений напряжения ин на нагрузке к напряжению и полуобмотки трансформатора равным: 1 — 98%, 2 — 95%, 3 — 90%, 4 — 75%.
Аналогичным образом можно получить и оптимальные значения индуктивности реактивного плеча фазовращателя.
Для малоинерционного выпрямительного устройства с активноемко-стными фазовращателями можно рекомендовать следующий порядок расчета;
1) по зависимостям рис. 4 или из выражений (3—5) определяется значение емкости С при заданных величине сопротивления нагрузки Нш и отношении Un к U;
2) из условий допустимой пульсации напряжения на нагрузке выбирается число фаз выпрямления т и определяется фазовый сдвиг
? ~ ш *
3) по выражению (4) определяется величина сопротивления плеча каждого п-го фазовращателя из условий получения фазового сдвига <р = тр0 (где /г= 1,2, ...,т).
Рассмотренная схема задатчика мощности дуги позволяет значительно уменьшить инерционность в цепи управления САР и снизить пульсации выпрямленного напряжения, что существенно увеличит быстродействие регуляторов мощности дуги. Рекомендованная методика расчета позволяет определить необходимые параметры схемы для любой фаз-ности выпрямления и, следовательно, получить пульсации желаемой величины.
ЛИТЕРАТУРА
1. А. А. Булгаков. Электронные устройства автоматического управления. Госэнергоиздат, 1958.
2. В. В. Тормасов. Новый способ сглаживания напряжения однофазного выпрямителя. Труды Норильского вечернего индустриального института, Физико-электротехнический выпуск, сборник № 2, 1964.
3. Г. И. Атабеков. Теоретические основы электротехники, часть 1. «Энергия», 1966.
