Локальные системы автоматического регулирования в ДСПРегулирование мощности Регулирование мощности в ДСП осуществляется изменением напряжения трансформатора и перемещения электрода. В качестве косвенного параметра регулирования используется разность сигналов, пропорциональных силе тока и напряжению фазы (поддержание постоянного сопротивления дуги). Для регулирования мощности на постоянной ступени напряжения трансформатора используются специальные регуляторы. Структурная схема автоматического регулирования мощности приведена на рис. 13.
Рис. 13. Структурная схема АСР мощности ДСП
Основными элементами, которые имеются во всех конструкциях регуляторов мощности, являются элемент измерения и сравнения 2, усилительный элемент 3, исполнительный механизм 4 и задающий элемент 5. Элементы 6-9 предусматриваются в более совершенных и сложных регуляторах. Элемент 6 осуществляет отрицательную обратную связь по скорости исполнительного механизма 4. Элемент 7 образует отрицательную обратную связь, охватывающую усилительный элемент 3 и формирующую закон регулирования. В некоторых регуляторах предусматривается программное устройство 8, изменяющее степень воздействия обратных связей 6 и 7. Элемент 9 осуществляет дополнительную связь между объектом регулирования 1 и элементом 2, изменяя результаты сравнения в зависимости от недобора или превышения мощности. Требования, предъявляемые к регуляторам мощности: - достаточная чувствительность (зона нечувствительности ± 2...6 % в период расплавления и ± 1...3 % в остальные периоды плавки); - быстродействие, обеспечивающее устранение максимальных возмущений (короткого замыкания и обрыва дуги) в течение 1,5...3,0 с, желательно при периодическом характере переходного процесса; - время разгона и торможения исполнительного механизма должно быть 0,2...0,3 с; - высокая скорость перемещения электрода при подъеме и спуске, составляющем 4,5...6 м/мин; - сведение к минимуму ненужных перемещений электродов при несимметричных изменениях режима и кратковременных возмущениях; - возможность достаточно плавного изменения мощности в пределах 20...125 % от номинальной с точностью не менее 5 %; - автоматическое зажигание дуг. На печи устанавливаются четыре регулятора мощности – по одному на каждую фазу и резервный. В качестве исполнительных механизмов используются в основном приводы постоянного, а также переменного тока и гидроприводы. До настоящего времени на подавляющем большинстве печей функционируют старые регуляторы (АРДМТ, СТУ, АРДГ) разработки 70-х годов прошлого столетия, которые по многим показателям уступают современным микропроцессорным регуляторам: надежности, гибкости характеристик, возможности использования различных параметров и т.д. Такие регуляторы используют в качестве параметров регулирования в основном дифференциальный параметр – разность сигналов тока и напряжения фазы, или силу тока. Использование этих параметров приводит к не автономности регулирования каждой фазы, т.к. изменение режима в какой-либо фазе вызывает изменения регулируемых параметров других фаз, что приводит к уменьшению точности регулирования и вынуждает систему перемещения электрода находиться постоянно в движении, что приводит к её износу. Известно, что напряжение на дуге практически не зависит от силы тока. Поэтому автономное регулирование электрического режима может быть получено при использовании напряжения дуги в качестве параметра регулирования. Ввиду невозможности непосредственного измерения этого параметра определение осуществляется с помощью вычислительных методов. Практически все современные регуляторы электрического режима строятся на основании использования микроконтроллеров или ЭВМ. Применение математической модели электропечного контура позволяет вычислить такие параметры процесса как напряжение, сопротивление дуги, мощность, выделяемую на ней. В современных регуляторах используются различные законы регулирования: от П-закона до ПИД-закона.
Микропроцессорные регуляторы, с тиристорными преобразователями Рассмотрим устройство и принцип действия микропроцессорного регулятора с тиристорными преобразователями на примере регулятора типа РММ (Россия).
Аппаратная часть системы Регулятор типа РММ включает процессорную плату, на которой размещены микроконтроллер МК-51 и устройства ввода-вывода информации, блоки питания (включая источник неотключаемого питания), силовые блоки, шунты или датчики тока, согласующие трансформаторы. Схемы формирования сигналов тока фаз, снимаемых с шунтов (или датчиков тока) представлены на рис. 14.
Рис. 14. Схема измерения токовых сигналов
Схема измерения включает трансформатор тока, во вторичные обмотки которого включены калиброванные шунты RШ. Падение напряжения на шунтах пропорционально мгновенным значениям тока. Далее сигнал с шунта поступает на устройства гальванической развязки – оптоэлектронную пару Э 1 и Э 2, где кроме развязки от входной электрической цепи происходит выпрямление сигнала (см. график рис. 14), масштабирование под стандартный входной диапазон используемых аналого-цифровых преобразователей (АЦП) – операционный усилитель Э 3 и сглаживание сигнала с помощью согласующего устройства (операционного усилителя – Э 4) – UВЫХ. Подключение нескольких сигналов датчиков к АЦП осуществляется с помощью коммутаторов. Аналогично преобразуются сигналы напряжения, которые также проходят через согласующие устройства (согласующие трансформаторы или делители) и сигналы таходатчиков, измеряющих скорость вращения двигателей. Сигналы нескольких датчиков, поочередно подключаемые коммутатором к АЦП, далее поступают на параллельный порт микроконтроллера или микроЭВМ. Обработка поступившей информации осуществляется в зависимости от требований к ней в соответствии с программой, реализуемой алгоритмом. Количество отсчетов на протяжении одного периода промышленной частоты 50 Гц определяется инерционностью используемых элементов. Так, быстродействие АЦП (задержка 20 мкс) позволяет при измерении силы тока (три значения) и напряжения (три значения) получать 128 отсчетов на период по каждому сигналу. Суммированием этих сигналов можно получить действующие и среднее значения за период или больший промежуток времени более точно, чем при аналоговом измерении при практически любой форме сигнала. Время усреднения сигнала при управлении соразмерно с задержкой сигнала в цепи управления. Эти сигналы с помощью коммутатора подключаются к АЦП и поступают в микроконтроллер. На выходе из микроконтроллера сигнал, время появления которого пропорционально разбалансу, усиливается и подается на тиристор силового блока.
Программная часть системы Программа, реализующая алгоритм работы системы, размещается в ПЗУ контроллера. Схема алгоритма приведена на рис. 15. Автоматически или вручную устанавливаются заданная ступень напряжения трансформатора и задание тока регулятору Iзад. При включении высоковольтного выключателя и нахождении переключателя режима «Автоматический-ручной» в положении «Автоматический» система начинает функционировать автоматически.
Рис. 15. Алгоритм управления электрическим режимом регулятора РММ Вычисляется разбаланс I, определяется соответствующая стадии зона нечувствительности. При этом величина зоны нечувствительности меняется в зависимости от того, стоял или двигался исполнительный механизм. Когда параметр регулирования находится в пределах зоны нечувствительности и исполнительный механизм находится в покое, зона нечувствительности больше, чтобы избежать ненужных перемещений при малых разбалансах; когда исполнительный механизм двигается, ликвидируя разбаланс, зона нечувствительности сужается, чтобы более близко подойти к заданному значению. В начале плавки токи фаз I равны нулю, возникающий разбаланс заставляет исполнительный механизм перемещать электрод вниз до касания шихты (условие остановки электрода – I = 0, UФ = 0). При этом электрод, первым достигший уровня шихты, остановится, так как при этом ток останется равным нулю (для его возникновения необходимо наличие второй фазы, т.е. подход второго электрода), а напряжение фазы упадет до величины, близкой к нулю. Данный электрод не будет двигаться до тех пор, пока не появится ток в фазе. В алгоритме предусмотрены форсированные режимы перемещения электрода при коротких замыканиях (I > Imax) и разрывах дуг (I = 0), а также остановка двигателя при отсутствии перемещения электрода (UОС = 0) и при наличии разбаланса (I ¹ 0) – случай самопроизвольной остановки двигателя, например, при попадании под электрод непроводящих кусков шихты. Для устранения взаимовлияния фаз при разрывах дуг и коротких замыканиях двигатели перемещения электродов других фаз (в которых нет коротких замыканий и разрывов дуг в данный момент) блокируются на время устранения этих явлений. Наиболее важной для регулятора является его статическая характеристика – зависимость скорости перемещения электрода (двигателя) от величины разбаланса. Угол наклона этой линии к оси абсцисс определяет коэффициент усиления регулятора. Поскольку объект имеет переменный коэффициент передачи, изменяющийся по ходу процесса, то и регулятор должен подстраивать свой коэффициент усиления. Обычно это осуществляется дискретно, при переходе от одной стадии к другой.
Микропроцессорные регуляторы с транзисторными усилителями Недостатком тиристорных схем является прерывистый ток якоря двигателя, что ухудшает работу двигателя. Даже в сложных схемах максимальная частота коммутации не превышает 600 Гц, что не устраняет прерывистые токи на малых скоростях. В последнее время находят применение привода постоянного тока на базе мощных транзисторных ключей. Подобные усилители используются, например, в регуляторе РММ 9822. Схема управления представлена на рис. 16.
Рис. 16. Схема управления двигателем постоянного тока с
Питание ключей осуществляется выпрямленным переменным током. Сигнал разбаланса, формируемый микроконтроллером, модулирует импульсы частотой 4 кГц, поступающие на входа ключей, т.е. длительность импульсов пропорциональна разбалансу (традиционное ШИМ-регулирование). В зависимости от знака разбаланса открываются либо ключи К 1, К 4, либо К 2, К З. Это определяет направление тока, протекающего через якорь и, собственно, направление его вращения, ширина импульсов определяет величину напряжения на якоре двигателя и, таким образом, скорость его вращения. Повышение частоты коммутации до 4 кГц позволило получить непрерывный ток в якоре двигателя даже при малых значениях разбаланса и, соответственно, тока. Использование транзисторных ключей позволило также повысить динамические характеристики привода за счет резкого уменьшения паузы перед реверсом.
Использование двигателей переменного тока в качестве исполнительных механизмов перемещения электродов Двигатели переменного тока являются более экономичными, удобными в эксплуатации, дешевыми, чем двигатели постоянного тока. К тому же они, не требуют дорогостоящих преобразователей переменного тока в постоянный. Главным их недостатком считалось невозможность в определенном диапазоне регулирование скорости вращения. В настоящее время разработаны способы частотного управления асинхронными двигателями взаимосвязанным изменением частоты, и напряжения питания статора. При управлении дуговыми печами вполне приемлемыми являются частотные методы, основанные на взаимосвязанном регулировании частоты и напряжения питания. Обычно используются двухзвенные преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного напряжения или тока на основе автономных инверторов. Такой преобразователь состоит из трех основных частей.
Рис. 17. Схема преобразователя На рис 17 В – выпрямитель, управляемый (тиристорный) или неуправляемый (диодный); Ф – фильтр постоянного напряжения, АИ – автономный инвертор. Современные автономные инверторы напряжения выполняются основе либо тиристоров, либо биполярных транзисторов. Трехфазная мостовая схема инвертора представлена на рис. 18.
Рис. 18. Трехфазная мостовая схема инвертора
Основные элементы схемы: емкостной входной фильтр Cd, включенные встречно-параллельно управляемые ключи V1...V6, диоды обратного тока Д1...Д6. За счет поочередного переключения ключей V1...V6 постоянное входное напряжение Ud преобразуется в переменное прямоугольно-импульсное выходное напряжение. Регулирование выходного напряжения может осуществляться двумя способами: амплитудным за счет изменения величины входного напряжения Ud и широтно-импульсным (ШИМ) за счет программы переключения вентилей V1...V6 при Ud = const. Частота аппроксимирующих синусоиду импульсов 1...16 кГц. Чем выше частота, тем меньше искажения при аппроксимации и, соответственно, потери в двигателе. Однако с повышением частоты увеличиваются высокочастотные шумы и ухудшаются условия работы ключей инвертора, поэтому наиболее употребляемый диапазон частот 2...8 кГц. Автоматизация подачи газа и кислорода В ДСП большей емкости для сокращения продолжительности периода плавления и удельного расхода электроэнергии используется подача газообразного топлива, сжигаемого в газокислородных горелках. Для управления работой горелок применяются системы автоматического регулирования расходов природного газа и кислорода (или систему регулирования расхода природного газа и соотношения газ-кислород).
Рис. 19. Схема систем управления работой газо-кислородной горелки и подачи кислорода в ванну: Э – электроды: КФ – кислородная фурма; Л – лебедка; ГКГ – газо-кислородная горелка; ОК – отсечные клапаны; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; П – процессор; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; ПУ – пульт управления; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь; ЦТ – цифровое табло
На рис. 19 показана система прямого цифрового управления, выполненная на микро-ЭВМ (могут использоваться и микропроцессорные контроллеры). Для каждой группы выплавляемых марок стали экспериментально определяют необходимый расход газа и общее его количество. Сталевар с помощью пульта управления (ПУ) ЭВМ устанавливает заданные значения расхода газа и кислорода, а также общее количество газа, которые вводятся в оперативную память ЭВМ. Сигналы, пропорциональные расходу газа и кислорода, от соответствующих датчиков через АЦП поступают в процессор П, который сопоставляет заданные и фактические значения, определяет их разность и в соответствии с заданными алгоритмами управления (законами регулирования) вырабатывает управляющие воздействия в цифровой форме. Эти воздействия ЦАП преобразует в электрические сигналы, поступающие на исполнительные механизмы, которые изменяют положение дроссельных заслонок, поддерживая заданные расходы газа и кислорода. При израсходовании заданного количества природного газа П через ЦАП посылает сигналы для закрытия газового и кислородного отсечных клапанов. Информация о расходах газа и кислорода высвечивается на цифровом табло ЦТ. Для ускорения окисления углерода жидкую ванну в ДСП во время окислительного периода продувают кислородом, подаваемым через водоохлаждаемую фурму. Эта система полностью не зависит от системы управления газокислородной горелкой, но выполнена с использованием той же микро-ЭВМ или того же микропроцессорного контроллера. Для каждой группы марок стали в оперативной памяти ОЗУ записана программа ввода кислорода, т.е. изменение его расхода во времени и общее количество кислорода, которое необходимо ввести в ванну. Сталевар перед началом кислородной продувки задает с помощью пульта управления ПУ программу продувки на данную плавку и включает систему автоматического управления продувкой. При наличии соответствующих сигналов о давлении и температуре охлаждающей воды рв и tв фурма автоматически опускается вниз до расстояния h = 200…250 мм от жидкого металла, определяемого датчиком положения фурмы, установленном на лебедке Л. После этого П через ЦАП дает команду на открытие отсечного клапана и кислород начинает подаваться в фурму. Сигналы, пропорциональные расходу кислорода Vк, его температуре tк и давлению рк, поступают через АЦП в процессор П, где расход кислорода корректируется по температуре и давлению и сравнивается с заданным. При наличии отклонения расхода кислорода от заданного значения П по заданному алгоритму управления вырабатывает управляющее воздействие, которое после преобразования в ЦАП в электрический сигнал поступает на исполнительный механизм, изменяющий положение дроссельной заслонки, и обеспечивает поддержание заданного расхода кислорода. После введения в ванну заданного количества кислорода П выдает команду на подъем кислородной фурмы. При высоте около 500 мм над уровнем ванны выдается команда о прекращении подачи кислорода, т.е. закрытии отсечного клапана на кислородопроводе. Предусмотрены автоматическое прекращение продувки и подъем кислородной фурмы при падении давления охлаждающей воды pв ниже допустимого течения, а также отсечка охлаждающей воды при прогаре фурмы, определяемой по увеличению температуры охлаждающей воды tв после фурмы выше допустимого значения.
Управление отводом отходящих из печи газов При выплавке стали в ДСП на каждую тонну стали образуется 70…80 м3 газов, содержащих 25…30 г/м3 пыли (при продувке ванны кислородом до 50 г/м3) и вредные примеси: СО, СО2, оксиды азота, цианиды и фториды. Поэтому на крупных печах для предотвращения вредных выбросов в атмосферу цеха применяют системы принудительного отсоса дымососом и очистки отходящих газов. На рис. 20 показана структурная схема системы управления отводом отходящих газов. Основной частью этой схемы является регулировка (стабилизация) давления под сводом печи с помощью регулятора 1, воздействующего на расход сжатого воздуха в пневмоотсекатель ПО, меняющий сопротивление газоотводящего тракта. Предусмотрена также система регулирования температуры отходящих газов после камеры охлаждения КО путем изменения регулятором 2 расхода атмосферного воздуха, подсасываемого для разбавления отходящих газов.
Рис. 20. Структурная схема системы управления отводом отходящих газов: ПО – пневмоотсекатель; КД – камера дожигания; КО – камера охлаждения; 1 – регулятор давления в печи; 2 – регулятор температуры отходящих газов
|
