Файл: Пирожников, В. Е. Автоматизация контроля и управления электросталеплавильными установками.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.10.2024
Просмотров: 76
Скачиваний: 1
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
рис. 10, б. |
Когда напряжение сети снизится до нуля, ток в дуге будет |
||
протекать |
за |
счет накопленной индуктивности |
в цепи энергии. |
В момент перехода силы тока і через нуль напряжение сети U уже |
|||
будет больше |
напряжения зажигания Е, и дуга |
вновь загорится. |
|
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.
£ м sin а ^ £ |
или |
£ |
(1-9) |
s i n a ^ - ^ . |
|||
Исследования показывают |
[4], |
что осциллограммы силы тока и |
|
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:
а —вначале периода |
п л а |
|
вления; |
б — в конце пе |
|
риода |
плавления; |
в — |
восстановительный |
пе |
|
риод |
|
|
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
на |
дуге: |
(МО) |
|
Е = а + РДД, |
|
где |
а — сумма падений напряжения у анода и катода, В; |
|
|
Тд — длина дугового разряда, мм; |
|
|
ß — падение напряжения на 1 мм столба дуги (градиент напря |
|
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
U= Ѵ(ЕЛ+ Irf+ (Ixf. |
(1-12) |
Отсюда |
|
£ д = -[Л Я -(/х)2- / г , |
(1-13) |
где х и г — приведенные ко вторичному напряжению индуктивное и активное сопротивления печной установки.
21
Сравнивая выражения (1-10) и (1-13), получаем |
|
а + ßLA= V U 2— (Ix)2— Ir |
(1-14) |
и |
|
LA= - ^ [ V ^ ~ ( I x ) 2- I r - a } . |
(1-15) |
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
водит к недопустимой длине дуги и износу футеровки. |
Как видно |
||||||
из рис. |
11, |
длина дуги |
при |
силе |
тока 20 кА и |
напряжении |
|
ПО В такая же, как при силе тока |
7 |
кА и напряжении 90 В. |
|||||
Длина дуги не является прямой |
функцией напряжения и силы |
||||||
тока, но |
в |
значительной |
мере |
зависит |
от состояния плазмы дуги. |
||
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.
С повышением доли реактивного сопротивления |
короткой |
сети |
токоограничительное влияние ее становится таким, |
что сила |
тока |
короткого замыкания может оказаться меньше номинальной |
при |
|
низких степенях рабочего напряжения.
4. Коэффициент усиления регулируемого объекта
Уравнение вторичного напряжения электропечной установки
имеет следующий вид |
(1-19) |
U2 = {Е + Іг)2 + (lx)2. |
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
Подставляя в (1-19) значения |
|
|
|
|||
|
Е = |
Ен + |
Д£; |
|
|
|
|
I |
- |
/„ + |
А/, |
|
(1-20) |
где Ен и / н — номинальные |
напряжение |
и сила |
тока дуги, полу |
|||
чаем |
|
|
|
|
|
|
(Е„+ V ) 2 + |
= |
[(£„ + |
АЕ) + |
(/„ + |
А/) г]2+ |
|
|
+ |
(/н + Д / )*Л*. |
|
(1-21) |
||
Выполняя алгебраические преобразования и пренебрегая малыми
величинами второго порядка, |
получаем |
|
|
|
|
|||||
АЕ (Ен+ / нг) + А/ (£нг + |
/ нг2 + |
/ н*2) = |
0. |
(1-22) |
||||||
Так как |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ен = a + ßLH и £ = a + ß(LH+ AL) = £ H+ A£, |
|
|||||||||
то |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
___ Еп ~Ь Iкг___ |
|
|
1 |
г 2 -fX 2 AL. |
|
||||
А/ = |
—ß ЕНГ + І н |
+ |
|
|
AL = |
—ß-- г - г +н |
(1-23) |
|||
Обозначив |
Ев/Ія = р, |
где |
р — эквивалентное |
сопротивление |
||||||
дуги, получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А/ = |
—ß |
Р + г |
|
|
|
(1-24) |
|||
|
р г + Г + X 2 АL. |
|
|
|||||||
Определим отношение скорости изменения силы |
тока печи dHdt |
|||||||||
к заданной и постоянной скорости перемещения электрода ѵ = |
dL/dt |
|||||||||
в момент, когда сила тока |
переходит |
через |
номинальное значение |
|||||||
|
|
dt_ . dL_ |
_ d l _ |
I |
|
|
(1-25) |
|||
|
|
dt |
' |
dt |
|
|
|
|||
|
|
i= iH - dL !/= /„ |
|
|
|
|||||
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
на 1 мм, определяет коэффициент усиления |
регулируемого |
объ |
|||||
екта Кт.н- |
величинах |
|
|
|
|||
В относительных |
|
|
|
||||
К. Н |
dl |
Lg |
I |
du |
L H __ j / KT |
I KH \ |
(1-27) |
dL |
I n |
' |
dL |
UK ~ |
T h ) ‘ |
||
Так как обычно регуляторы поставляются комплектно с двига телями [6], то на практике для оценки печи как регулируемого объ екта весьма полезно определить величину
I |
dl _ |
Кт |
dL |
__ |
„ |
(1-28) |
ß/н |
|
Kglg |
dip |
|
IH |
|
|
|
|
||||
где ф —■угол поворота |
вала |
двигателя; |
|
|
||
is |
__ Кт |
. is __ dK |
__ у |
|
||
Эта величина показывает, |
как |
при |
одном и том же регуляторе |
|||
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