Характеристика и экспериментальные исследования электротехнических систем управления режимами ДСП-180

Журнал: «Главный энергетик», №10, 2018г.

621.316

Characteristics and experimental researches of electrotechnical systems of control of modes DSP-180

The analysis of technological and electrical modes of DSP-180 is carried out, the scheme and parameters of the furnace transformer are given. The description of the existing system for automatic control of the electrical regime and the results of experimental studies of the speed of the channels for controlling the impedance and secondary voltage of furnace transformers are presented. The review of known power circuits of furnace transformers with thyristor regulation of voltage and inductance of the reactor is carried out. Considered are high-speed electric control systems for electric arc furnaces.

Yakimov I.A., Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov, city of Magnitogorsk, Chelyabinsk region

Keywords:steelmaking furnaces, thyristor control, furnace transformer, automation

Электрический и технологический режимы ДСП находятся в неразрывной взаимосвязи, поскольку особенности горения дуг на разных стадиях плавки оказывают влияние на потребление электрической энергии и создают проблемы электромагнитной совместимости электрооборудования печи с сетью.

Поэтому решение поставленной задачи возможно только после предварительного рассмотрения технологического процесса ДСП. Для этого необходимо представить анализ технологических стадий плавки, дать оценку их влияния на электрические характеристики. Следует привести параметры установленного силового электрооборудования, которые определяют возможности совершенствования алгоритмов системы управления.

Поскольку основной задачей исследований является разработка быстродействующей системы управления электрическим режимом, следует привести описание действующей САУЭР ДСП-180. Важной задачей также являются экспериментальные исследования быстродействия каналов регулирования импеданса и напряжения за счет переключения РПН.

Целесообразно выполнить краткий обзор известных силовых схем печных трансформаторов с тиристорным регулированием напряжения, а также дать характеристику концепции регулирования, направленной на поддержание постоянства реактивной мощности. Следует дать оценку возможностей управления электрическим режимом за счет регулирования индуктивности реактора, подключаемого к первичной обмотке ПТ. Также целесообразно рассмотреть известные системы управления, построенные на основе данного принципа.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДСП-180 ПАО «ММК»

В настоящее время выплавка стали в электросталеплавильном цехе ПАО «ММК» осуществляется в двух современных высокоимпедансных дуговых печах ультравысокой мощности серии ULTIMATE, производителем и поставщиком которой является австрийская фирма VAI FUCHS. Общий вид ДСП-180 представлен на рис. 1.

В состав агрегата входят:

– сталеплавильная печь, состоящая из подины, водоохлаждаемой рубашки и свода;

– закрытое распределительное устройство (ЗРУ), состоящее из двух ячеек с вакуумными выключателями на напряжение 35 кВ и ток 2500 А;

– трансформатор производства фирмы TAMINI (Италия) мощностью 150 МВА;

– шинопровод, соединяющий ЗРУ35 кВ и трансформатор;

– короткая сеть;

– электродержатель с электродами.

Технология ведения плавки складывается из комплекса мероприятий, позволяющих получить металл заданного химического состава и температуры при минимальных энергетических затратах.

На рис. 2 представлен типовой график изменения мощности дуг для профиля плавки № 2 (100%-ный скрап) и выделены характерные стадии, соответствующие основным технологическим операциям. Такими операциями являются: завалка стального лома; зажигание дуги и начало проплавления колодцев; окончание плавления колодцев; основной период плавки; доплавление шихты; горение дуг под слоем шлака при жидком металле (окислительный период) и выпуск плавки.

В зависимости от исходного состава шихты, определяемого процентным содержанием лома и жидкого чугуна, профиль плавки может включать одну или две подвалки исходного материала (две или три «корзины»). В процессе плавки печь переходит с одной рабочей стадии на другую. Критерием перехода служит удельный расход суммарной электрической энергии дуг, рассчитываемый относительно веса металлошихты, приходящейся на текущую «корзину».

Основным источником тепловой энергии в ДСП являются электрические дуги, которые горят между графитовым электродом и металлическим ломом (скрапом). В процессе плавки необходимо регулировать мощность дуг, изменяя количество энергии, вводимой в печь.

Активная мощность дуг в ДСП-180 регулируется путем изменения вторичного напряжения печного трансформатора, а при постоянном напряжении – путем изменения тока в электрическом контуре печи. Для поддержания заданного значения тока фазы и соответственно мощности дуги используется система регулирования импеданса.

ХАРАКТЕРИСТИКА СИЛОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Схема электроснабжения

На рис. 3 представлен фрагмент однолинейной схемы подключения ДСП-180. Система электроснабжения имеет следующие особенности:

1. Впервые на ММК осуществлен глубокий ввод напряжения 220 кВ непосредственно на промплощадку.

2. В узле подключения сетевых трансформаторов СТ 220/35 кВ установлены статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности.

3. Печные трансформаторы мощностью 150 МВА выполнены со встроенными реакторами мощностью 46 МВАр. При этом трансформатор и реактор снабжены индивидуальными устройствами РПН (на рисунке не показаны).

Работа ДСП сопровождается значительными колебаниями токов электрических дуг, значительным потреблением реактивной мощности, поэтому оказывает негативное влияние на качество электроэнергии в точке присоединения.

Размах колебаний тока имеет различную величину в зависимости от стадии плавления. В начальный период, когда шихта находится в твердой фазе, амплитуда колебаний тока имеет наибольшее значение. По мере расплавления шихты и перехода ее в жидкую фазу амплитуда уменьшается, что вызвано снижением вероятности обвалов лома и эксплуатационных коротких замыканий. Вследствие случайной природы колебаний токов, колебания напряжений также носят случайный характер по амплитуде, частоте и форме волны.

Эти особенности работы ДСП приводят к необходимости использования дополнительных технических устройств, обеспечивающих заданные показатели качества электроэнергии и сохранение производительности печи. Для ДСП-180 таким устройством является статический тиристорный компенсатор (СТК) фирмы ABB в составе фильтров суммарной мощностью 180 МВАр и тиристорно-реакторной группы (ТРГ) такой же мощности. СТК относится к устройствам регулируемой компенсации, в нем за счет изменения момента подачи отпирающих импульсов на тиристоры варьируется величина потребляемой реактивной мощности реакторов ТРГ. За счет этого обеспечивается постоянство реактивной мощности на заданном уровне. Применение регулируемой компенсации вызвано тем, что средние уровни активной и реактивной мощностей изменяются в зависимости от стадии плавки.

Характеристика печного трансформатора ДСП-180

Печной трансформатор (ПТ, рис. 3) типа FTOHBR-150200/35 35/(0,8–1,4) кВ состоит из главного трансформатора (ГТ) номинальной мощностью 150 МВА, вольтодобавочного трансформатора (ВДТ) мощностью 30 МВА и реактора (Р). Номинальные данные ПТ приведены в табл. 1.

Силовая схема ПТ представлена на рис. 4а, она разработана фирмой SIEMENS в 1966 г. и впервые апробирована в Японии.

Главный трансформатор (рис. 4б) представляет собой трехобмоточный агрегат высокой мощности с возможностью регулирования напряжения под нагрузкой в третичной обмотке. Вольтодобавочный трансформатор представляет собой двухобмоточный агрегат, который выполняет регулировочную функцию. Первичная обмотка ВДТ соединена по схеме «звезда с заземленной нейтралью».

Силовая часть ГТ состоит из трех обмоток:

1. Высокого напряжения (первичная), выполнена по схеме «треугольник», подключается к питающей сети напряжением U1 = 35 кВ.

2. Среднего напряжения – третичная или регулировочная обмотка номинальным напряжением 20 кВ, схема соединения «звезда с нейтралью».

3. Низкого напряжения – вторичная обмотка с фиксированным напряжением 1100 В, схема соединения «треугольник».

Полная мощность трансформаторного агрегата SТА состоит из нерегулируемой Sconst и регулируемой частей Svar, причем регулируемая часть может иметь как положительные, так и отрицательные значения:

Регулируемая часть обеспечивается за счет подключения первичной обмотки ВДТ последовательно с регулировочной обмоткой ГТ. Вторичные обмотки этих трансформаторов также соединены последовательно, поэтому первичная обмотка ГТ рассчитана на суммарную мощность регулировочной и вторичной цепей ГТ.

Трансформаторы с регулируемым выходным напряжением могут работать в двух режимах:

– в режиме постоянной (максимально допустимой) мощности первичной обмотки;

– в режиме постоянного максимально допустимого вторичного тока.

В табл. 2 представлены номинальные данные для всех ступеней ПТ. С уменьшением выходного напряжения номинальная мощность ПТ снижается, при этом вторичный ток не превышает номинального значения 70 кА.

На ступени 12 происходит реверс вторичного напряжения ВДТ, поэтому, начиная с этой ступени, вторичное напряжение уменьшается. Полный диапазон изменения вторичного напряжения находится в пределах от 800 до 1400 В, напряжение вольтодобавки (ВД) составляет 300 В. Поэтому базовое напряжение вторичной обмотки ГТ считается равным 1100 В. Путем добавления ВД к базовому значению либо его вычитания можно получить требуемый диапазон изменения вторичного напряжения.

Трансформатор и реактор снабжены индивидуальными контактными устройствами РПН фирмы MR (Германия). РПН трансформатора типа MS III 600 Y 72.5 / C12231 W имеет 23 ступени регулирования, РПН реактора типа MS III 600 Y 72.5 / D16313 G – 20 ступеней. Расположение РПН относительно обмоток показано на рис. 4б. В схеме на рис. 4а устройство РПН подключено в промежуточный контур между ГТ и ВДТ. Напряжение в этом контуре выбирается на среднем уровне по отношению к стороне высокого напряжения.

С целью уменьшения габаритов и веса трансформатора, а также уменьшения разрывной мощности контактора, регулирование осуществляется в двух диапазонах с использованием одной и той же регулировочной обмотки (РО). За счет этого осуществляется упомянутый реверс вторичного напряжения ВДТ и достигается широкий диапазон регулирования. Регулирование напряжения и индуктивности реактора в третичной обмотке является компромиссным вариантом между регулированием в высоковольтной первичной и сильноточной вторичной обмотках.

Поэтому напряжение в третичной обмотке меньше первичного, а ток – меньше вторичного. Кроме того, этот вариант регулирования обеспечивает повышение динамической стойкости.

Все известные САУЭР сверхмощных ДСП обладают одним общим недостатком – они используют контактные РПН сложной конструкции. Устройства РПН обладают низким быстродействием (переключение ступеней происходит в течение 3–5 с), регулирование осуществляется дискретно с определенным шагом. На печных трансформаторах они работают в интенсивном режиме: 30–40 переключений под током за плавку или до 1000 раз в сутки. Частые переключения повышают износ РПН и снижают надежность работы печного трансформатора.

АНАЛИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЖИМА ДСП-180

Электрический режим ДСП зависит от текущего состояния шихты в ванне. Для обеспечения оптимального режима работы система управления изменяет координаты управления:

1. Номер ступени трансформатора.

2. Номер ступени реактора.

3. Задание на импеданс Z2ф вторичного электрического контура системы автоматического регулирования положения электродов (в системе ArCOS данный термин обозначен как «рабочая кривая»).

Соответственно исполнительными органами, помимо гидропривода перемещения электродов, являются печной трансформатор и реактор. Фазный импеданс Z2ф вторичной цепи ПТ определяется величинами полного сопротивления короткой сети ZКС, электродов ZЭЛ, активного сопротивления расплава R распл и электрической дуги R д.

Величина активного сопротивления дуги определяется положением электрода, который приводится в движение гидроприводом. В данной системе, как и большинстве известных, данный (основной) канал является более быстродействующим. Переключение отпаек осуществляется в промежутках между стадиями плавки.

На рис. 5 представлены диаграммы номеров ступеней печного трансформатора, ступеней реактора и задания на импеданс вторичной цепи на каждой стадии за цикл плавки.

Плавка осуществляется в две корзины: № 1 – завалка металлического лома и № 2 – подвалка лома.

Корзине № 1 соответствует время работы под током t 1 , корзине № 2 – время t2. На первой корзине осуществляют проплавление лома (160 т) и доведение его до состояния жидкой фазы. После этого печь отключается и производится подвалка скрапового материала (50 т).

В течение второй корзины производятся доплавление шихты и нагрев до заданной температуры (1600 °С). Первая корзина включает 4 стадии, вторая – 7 стадий.

В процессе плавки используются три ступени напряжения трансформатора 17, 19, 21 и четыре ступени реактора 2–5. Соответствующие им напряжения и индуктивные сопротивления представлены в табл. 3. Индуктивные сопротивления реактора в таблице приведены к первичному напряжению трансформатора. На рис. 5 и в табл. 3 также указаны величины заданий на вход регулятора импеданса для каждой стадии плавки.

На рис. 6 представлены рабочие характеристики ДСП-180 для семи ступеней трансформатора из интервала № 10 – № 21 и шесть рабочих кривых (№ 1 – № 6).

При этом ступень реактора принята постоянной (№ 16). Если разделить технологическую стадию плавки на шесть участков согласно рабочим режимам, показанным на рис. 2, то каждая рабочая кривая (выделены точками) отвечает за определенную стадию. Таким образом, на каждой ступени трансформатора может быть реализовано шесть рабочих режимов с различными уровнями токов и мощностей в зависимости от стадии плавки.

Чем точнее рассчитана рабочая точка для каждого режима, тем эффективнее используется мощность, вводимая в печь.

Как было отмечено выше, в существующей САУЭР динамика исполнительных устройств низкая. Это не позволяет использовать индуктивность реактора и вторичное напряжение трансформатора в качестве оперативных управляющих воздействий. В пределах этих параметров оперативный контур регулирования положения электродов поддерживает оптимальный электрический режим печи. Однако в процессе расплавления шихты происходят случайные изменения длины дуги, соответственно изменяются условия горения, что особенно актуально для первых стадий плавки. В результате происходит смещение максимума характеристики влево и вниз относительно заданного положения.

Показанные в табл. 3 значения импеданса фаз рассчитываются таким образом, чтобы при любом режиме плавления максимальный рабочий ток дуги не превышал номинального тока электродов (вторичного тока трансформатора). Вместе с тем из рис. 6 следует, что реализованный алгоритм не обеспечивает постоянства потребляемой активной мощности, т.к. большинство рабочих точек находится левее экстремумов характеристик. Это приводит к снижению мощности дуг.

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ

На рис. 7а представлена функциональная схема двухуровневой САУЭР ДСП-180. Исходными параметрами для нижнего уровня (система перемещения электродов ArCOS, рис. 7б) являются: ступень трансформатора n тр, ступень реактора n р и номер рабочей кривой n рк. В соответствии со значениями этих параметров, система ArCOS формирует сигнал задания Z зад на рабочий импеданс вторичного контура ДСП или задание на активные сопротивления дуг.

Здесь же по мгновенным значениям фазных токов и напряжений рассчитывается фактическое значение полных сопротивлений Zакт и сравнивается с заданным.

Ошибка устраняется с помощью пропорционально-интегрального регулятора импеданса (ПИ-РИ), выход которого через задатчик интенсивности (ЗИ) соединен с сервоклапаном, осуществляющим регулирование расхода рабочей жидкости в гидроцилиндрах приводов перемещения электродов.

Гидропривод перемещения электродов, используемый на ДСП-180, оснащен двухкаскадным сервоклапаном, который последовательно включается в работу при увеличении сигнала задания на расход.

Особенностью конструкции является расположение блока сервоклапанов непосредственно на гидроцилиндре, что уменьшает длину гидравлических передач и повышает скорость реакции системы. Для гидропривода электрода используется сервоклапан фирмы Rexroth Bosh Group серии 4WRLE16-200M3X/G24KO/ A1M с номинальным расходом 370 л/мин, номинальная скорость перемещения электрода при этом составляет 150 мм/с.

На втором более высоком уровне в контроллере Simatic происходит идентификация стадий плавки, а по ней – выбор соответствующей рабочей кривой, ступеней трансформатора и реактора, которые формируют задание для системы нижнего уровня. Входными сигналами системы управления являются: номер профиля плавки, определяемый исходным составом шихты, и количество электроэнергии, введенной в печь от начала плавки.

Выбор параметра управления производится автоматически и определяется номером профиля и стадией расплавления металлического лома в ванне печи. Регулятор импеданса (рис. 7б) по структуре является пропорционально-интегральным с нелинейной пропорциональной частью. Переключение параметров управления происходит в функции расхода электроэнергии.

Данная программа плавки получена на основе экспериментальных исследований на стадии ввода ДСП-180 в эксплуатацию и реализована на базе контроллера АСУ ТП 2-го уровня. В памяти заданных значений также имеются таблицы для максимумов 6-ти ступеней реакторов и 6-ти рабочих кривых, предусмотренных для ручной адаптации и работы с различным составом скрапа.

В рассмотренной САУЭР непрерывное регулирование мощности, подаваемой в печь, осуществляется косвенно за счет автоматической системы поддержания заданного импеданса вторичной цепи. Изменение положения электрода позволяет регулировать длину дуги, т. е. ее сопротивление, с наибольшим быстродействием (постоянная времени составляет 0,3–0,5 с). Тем не менее, такое быстродействие не является достаточным для компенсации колебаний токов дуг.

Регулирование вторичного напряжения ПТ и индуктивности реактора также не обеспечивает высоких динамических показателей, так как переключение производится контактными устройствами РПН. Как отмечалось выше, в существующей САУЭР данные параметры являются лишь настроечными.

Из литературных источников известно, что дисперсия тока оказывает сильное влияние на положение электрической характеристики, на которой расположена рабочая точка (рис. 6). Высокие значения дисперсии и среднеквадратического отклонения тока дуги приводят к увеличению потребляемой энергии и времени плавки, что снижает производительность печи.

В связи с отмеченными недостатками следует вывод, что существующая система автоматического управления электрическим режимом не обеспечивает требуемой стабилизации тока и мощности, что проводит к ухудшению энергетических показателей ДСП.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОТКЛОНЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДСП-180

Автором выполнены экспериментальные исследования электрических параметров ДСП-180 в процессе плавки.

В программе исследований были предусмотрены запись первичных токов ПТ по ходу плавки и регистрация линейных напряжений первичной обмотки ПТ. Замеры проводились с помощью регистратора электрических сигналов РЭС-3.

Кроме того, в системе ArCOS имеется собственная подсистема регистрации отчетов плавок, в которых содержится информация о действующих значениях основных параметров электрического контура печи, которые записываются с частотой дискретизации 1 Гц. Такая частота отсчета является низкой для детального анализа электрических процессов (период изменения 20 мс) и служит для настройки технологического режима и оценки работы ДСП в первом приближении.

Анализ результатов осциллографирования тока первичной обмотки

Фрагмент осциллограммы первичного тока фазы трансформатора представлен на рис. 8. Здесь же показаны изменения настроечных параметров системы управления в процессе работы печи. На осциллограммах показаны действующие значения первичного тока ПТ, записанные системой ArCOS и с помощью регистратора РЭС-3 с частотой дискретизации 4 кГц.

Из осциллограмм следует вывод, что при регулировании настроечных параметров изменяются лишь средние значения тока, причем эти изменения носят случайный характер. При этом статистические характеристики токов (дисперсия, среднеквадратическое отклонение и др.) практически не изменяются. Сказанное подтверждают временные зависимости коэффициента искажения тока, представленные на рис. 9. Они рассчитаны по результатам осциллографирования тока для восьми стадий плавки с периодом усреднения 20 мс.

Анализ графиков показывает, что на начальных стадиях плавки, когда происходит проплавление колодцев в шихте, искажения тока являются максимальными. На конечной стадии плавки электрический ток более стабилен, это обусловлено тем, что шихта полностью расплавлена, дуги горят на зеркало ванны и закрыты шлаком. Шунтирующее действие шлака оказывает благоприятное воздействие на стабильность горения дуг.

Анализ дисперсий мощностей

На рис. 10 представлены временные зависимости суммарных активной, реактивной мощностей вторичной обмотки и суммарной мощности дуг. Значительный диапазон разброса параметров подтверждает влияние колебаний тока на потребление мощности и соответственно энергетические показатели ДСП.

Представленные осциллограммы свидетельствуют о значительных отклонениях мощностей от их усредненных значений, что приводит к нежелательным последствиям:

а) уменьшению мощности, вводимой в печь, и увеличению времени плавки, что негативно отражается на производительности печи;

б) генерированию в питающую сеть высших гармоник, вследствие чего происходит увеличение значений суммарных коэффициентов гармонических составляющих сетевого напряжения KU и потребляемого тока KI , которые в некоторых случаях превышают допустимые значения согласно ГОСТ 32144-2013;

в) появлению фликера в сети 35 и 220 кВ;

г) неравномерности нагрузки по отдельным фазам, вызывающей несимметрию питающего напряжения.

Результаты исследования негативного влияния колебаний тока на показатели качества электроэнергии в точке подключения подробно рассмотрены в [1]. Ниже дается оценка влияния дисперсии тока на электрические и энергетические показатели печи.

Влияние отклонений тока на характеристики ДСП

Любое отклонение тока от значения, соответствующего максимальной мощности, приводит к ухудшению характеристик и снижению часовой производительности ДСП. Это подтверждают электрические и рабочие характеристики печи, представленные на рис. 11.

В верхней части рисунка построены графики: активной мощности Р на высокой стороне ПТ; полезной мощности д * P , т. е. электрической мощности дуг, введенной в пространство печи; мощности электрических потерь DP д в активных сопротивлениях контура ДСП.

В нижней части рисунка приведены технологические показатели печи: удельный расход электроэнергии W* ; время плавления 1 т стали T* ; часовая производительность G* и полный КПД печи ηДСП.

Кривая удельного расхода электроэнергии W* имеет минимум при токе д.опт * 1 I , этому же току соответствует максимум кривой ηДСП. Следовательно, при токе д.опт * 1 I достигается оптимальный энергетический режим с точки зрения расхода электроэнергии. Кривая производительности печи G достигает максимума при токе д.опт * 2 I , который соответствует максимальной мощности дуг. Этому же току соответствует минимум кривой удельного времени расплавления T, следовательно, ток д.опт * 2 I определяет режим максимальной производительности. Таким образом, оптимальный энергетический режим наступает при токе меньшем, чем ток, который соответствует максимальной производительности. Также следует отметить, что разница в уровнях производительности и мощности на отмеченном диапазоне незначительна, поэтому работа печи с меньшим током д.опт * 1 I , т. е. в оптимальном энергетическом режиме, более предпочтительна.

Анализ представленных результатов подтвердил сделанный выше вывод, что дисперсия тока оказывает влияние на положение электрической характеристики, на которой расположена заданная рабочая точка. Также экспериментально подтвержден вывод, что с ростом дисперсии происходит смещение максимума характеристики влево и вниз относительно исходного положения. Для количественной оценки влияния дисперсии тока на потребление мощности проведена оценка статистических показателей.

Статистическая обработка экспериментальных данных

Основными статистическими характеристиками случайных величин являются:

1. Математическое ожидание – характеризует абсолютное значение случайной величины и определяется по формуле

где xi – выборочное значение случайной величины;

n – объем выборки.

2. Дисперсия выборки – мера разброса случайной величины, то есть ее отклонения от математического ожидания:

3. Среднеквадратическое отклонение – характеризует разброс выборочных значений относительно среднего:

4. Коэффициент вариации – мера относительного разброса случайной величины. Показывает, какую долю среднего значения этой величины составляет ее средний разброс:

5. Максимум и минимум – соответственно максимальное и минимальное значения случайной величины во всем объеме выборки.

6. Счет – количество точек выборки.

Расчетные величины перечисленных статистических параметров приведены в табл. 4. В качестве исходных использовались данные, зафиксированные системой ArCOS. Расчет осуществлялся для каждой технологической стадии плавки с использованием стандартного математического обеспечения пакета Exel.

Для количественной оценки зависимости активной мощности дуг от дисперсии тока проведена статистическая обработка отчетов системы ArCOS по 20-ти плавкам.

Результаты представлены на рис. 12. Они построены для стадий, на которых наблюдаются примерно одинаковые средние значения токов по фазам, но различный уровень дисперсии. Чтобы определить степень связи между данными величинами, рассчитаны коэффициенты парной корреляции K кор, их численные значения указаны на плоскости графиков.

Из рисунка следует, что для наиболее нестабильных стадий плавок абсолютное значение коэффициента приближается к 0,8. Так, на начальных стадиях, когда металл расплавлен не полностью, он составляет 0,78.

В табл. 5 приведены нормированные значения, характеризующие силу связи параметров по коэффициенту корреляции. Для случаев, показанных на рис. 12, связь соответствует диапазонам сильной и средней. Это свидетельствует о тесной связи дисперсии тока и мощности дуг, причем связь обратная: с увеличением дисперсии значение активной мощности дуг снижается. Это ведет к снижению энергетических показателей и увеличению времени плавки.

Таким образом, экспериментально подтвержден вывод, что колебания токов дуг уменьшают значение активной мощности, вводимой в печь, а, следовательно, и ее производительность. Проведенные экспериментальные исследования подтверждают актуальность поставленной цели – разработки быстродействующей САУЭР, обеспечивающей ограничение колебаний электрических параметров ДСП на всех стадиях плавки.

В целом, проведенные экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Электропотребление ДСП определяется совокупностью технологических и электрических параметров, а также настройкой системы управления электрическим режимом.

2. Зависимость мощности от тока дуги носит ярко выраженный экстремальный характер. Наибольшая эффективность электропотребления достигается при обеспечении максимальной мощности дуги в отведенное время работы печи.

3. Серьезной причиной ухудшения энергетических характеристик ДСП-180 являются значительные отклонения тока от оптимальных значений, что приводит к уменьшению вводимой мощности. Кроме того, производительность ДСП в значительной степени зависит от дисперсии тока.

Рассмотренные особенности работы ДСП приводят к необходимости разработки технических решений, обеспечивающих устранение указанных недостатков. В первую очередь, это подтверждает актуальность разработки быстродействующей САУЭР, обеспечивающей ограничение колебаний электрических параметров ДСП на всех стадиях плавки.

ИССЛЕДОВАНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ САУЭР ДСП-180

На рис. 13а представлены осциллограмма тока I д фазы и график изменения номера n тр ступени напряжения печного трансформатора ДСП-180 за цикл плавки [2]. Для детального рассмотрения процесса изменения тока при переключении ступеней РПН на рис. 13б представлен фрагмент, ограниченный областью «А» в увеличенном масштабе времени. Из осциллограмм следует, что среднее время переключения ступени составляет 3–5 с. При этом ток дуги успевает измениться от 67 до 54 кА.

Представленная осциллограмма тока демонстрирует работу дискретной системы управления мощностью ДСП, в которой имеются нерегулируемые интервалы времени. В соответствии с программой плавки в области «А» происходит переход с 14-й на 19-ю ступени трансформатора, совокупная задержка времени 12–15 с. За одну плавку, длительность которой составляет примерно 30–40 мин, происходит 15–20 переключений.

Необходимо отметить, что при работе РПН в системе управления ArCOS происходит увеличение уставки импеданса на 20% относительно исходной величины с целью снижения токов дуг при переключении ступени РПН трансформатора или реактора. По этой причине в течение 45–100 с в общем времени работы под током система управления не может обеспечить оптимальные электрические режимы ДСП.

На рис. 14а представлена характерная диаграмма переключения ступеней устройств РПН трансформатора n тр и реактора n р за цикл плавки ДСП-180. Обобщенные результаты исследований времени переключения приведены в виде диаграмм на рис. 14б. Из них следует, что более 5% времени работы под током системой управления печи не контролируется.

Представленные результаты подтверждают сделанный ранее вывод, что продолжительность бестоковых пауз, вызванных коммутацией РПН, может составлять до 10% времени цикла плавки. Таким образом, механический переключатель ступеней РПН обладает значительной инерционностью и не может обеспечить требуемую стабилизацию тока во время технологического процесса. Кроме того, из-за частых переключений ступеней РПН снижается надежность всей печной установки.

БЫСТРОДЕЙСТВИЕ ГИДРОПРИВОДА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ

Стабильность токов дуг во многом определяется быстродействием системы автоматического регулирования (САР) гидропривода перемещения электродов. Данный показатель определяется настройкой системы регулирования импеданса (тока дуг), исключающей, с одной стороны, рывки и динамические удары в системе с большими инерционными массами, а с другой – обеспечивающей достаточную динамику перемещения. Существует рациональный диапазон настройки пропорционально-интегрального регулятора (ПИ-регулятора) импеданса. На рис. 15 показаны зависимости изменения полного сопротивления фазы от времени для различных настроек регулятора [3].

В первом случае (рис. 15а) ПИ-регулятор не отвечает требуемым параметрам, поэтому время регулирования при отработке скачка задания Z зад значительно. Так, при набросе сигнала задания время переходного процесса TУ1 составляет около 3,5 с, при сбросе время запаздывания TУ2 = 0,8 с.

В связи с этим выход на заданное значение полного сопротивления фазы Z зад происходит со значительной задержкой.

В идеальном случае перемещение электродов можно существенно ограничить и сделать САР импеденса более динамичной. Для этого функцию поддержания заданного импеданса следует возложить на более быстродействующую систему регулирования напряжения, подводимого к электродам. Однако при применении механического устройства РПН использование данной возможности САР практически неосуществимо. Это подтверждается следующими рассуждениями. Скорость протекания электрических процессов в печи на несколько порядков выше скорости перемещения электродов в гидравлической системе. Так, постоянная времени дуги находится в пределах (100–600) ⋅ 10-6 с, а время перемещения электродов при коротких замыканиях и обрывах дуг составляет несколько секунд (постоянная времени системы гидропривода 0,2–0,4 с).

Очевидно, что случайные и быстрые изменения токов не могут быть отработаны системой без запаздывания, вызванного инерционностью перемещаемых масс. При этом время переключения каждой ступени трансформатора еще выше и составляет 3–5 с. Таким образом, существующая САУЭР ДСП с применением системы гидропривода электродов и механического переключателя РПН не обеспечивает достаточной динамики регулирования тока.

Вопросы разработки новых способов и устройств управления электротехнологическим режимом ДСП, позволяющих повысить стабильность работы и производительность печи, являются актуальными и требуют детального рассмотрения с учетом многофакторности самого объекта управления – электрической дуги.

Вместе с тем очевидно, что применение бесконтактного регулятора напряжения позволит полностью исключить процессы коммутации. В результате будет исключен неконтролируемый период плавки продолжительностью 2–3 мин. за цикл.

Кроме сокращения времени работы под током данное решение позволит удалить из схемы механическое устройство РПН, которое имеет ограниченный ресурс и требует периодического профилактического обслуживания.

В целом, проведенный анализ подтвердил актуальность оптимального управления электрическим режимом ДСП за счет одновременного регулирования импеданса и вторичного напряжения трансформатора.

Это положение принято за основу при разработке концептуального подхода и способа быстродействующего автоматического управления электрическим режимом ДСП. При этом необходимо решить следующие взаимосвязанные задачи:

1. Обосновать оптимальный критерий и разработать способ регулирования, обеспечивающий постоянство данного критерия.

2. Разработать технические средства, которые могли бы обеспечить быстродействующее регулирование параметров, в частности, напряжения ПТ.

3. Оценить возможность реализации разработанных алгоритмов на действующем оборудовании ДСП путем подбора ступеней трансформатора и реактора, обеспечивающие электрические режимы, близкие к оптимальным для каждой стадии плавки.

СХЕМЫ ПЕЧНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ С ТИРИСТОРНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ

Проведенный анализ показал, что в существующей САУЭР регулирование вторичного напряжения ДСП-180 осуществляется в третичной обмотке. При этом электромеханический РПН не может обеспечить требуемую стабилизацию тока. Перспективным техническим решением для оптимизации режимов ДСП является установка в третичной обмотке ПТ тиристорного регулятора.

На рис. 16 представлены известные силовые схемы: с бесконтактным регулированием на основе однооперационных тиристоров (рис. 16а) и на базе запираемых ключей (рис. 16б). Принцип работы и анализ этих схем представлены в [4].

В [5] перспективным техническим решением названа схема установки тиристорного регулятора, представленная на рис. 16в.

В ней основную функцию регулирования выполняют главные тиристоры (SW1 − SWn ), а тиристоры SW0 предназначены для обеспечения дроссельного режима работы вольтодобавочного трансформатора в моменты закрытого состояния основных тиристоров. Это исключает возникновение токов короткого замыкания при открытых главных тиристорах. При наличии одной пары основных и одной пары шунтирующих тиристоров данная схема позволяет плавно изменять напряжение вторичной обмотки в пределах от 0,5 до Uном и мощность, которая пропорциональна квадрату напряжения, от 25% до номинального значения.

Введение бесконтактного регулятора напряжения позволяет с минимальной задержкой переходить с одной стадии плавки на другую и исключить неконтролируемый процесс плавки продолжительностью 2–3 мин., наблюдаемый при переключении ступеней традиционных РПН. Применение тиристорных регуляторов напряжения снижает потери мощности в печи, улучшает динамические показатели системы и повышает ресурс коммутационного оборудования [3].

АНАЛИЗ ИЗВЕСТНОЙ КОНЦЕПЦИИ САУЭР ДСП С ТИРИСТОРНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ

В работах [6, 7] разработана «концепция питаемой от выпрямителей трехфазной дуговой электропечи с высокой динамикой регулирования». Основной идеей разработки является создание печного трансформатора с тиристорным регулированием вторичного напряжения совместно с новой концепцией управления, суть которой заключается в поддержании постоянства реактивной мощности, потребляемой печью. Целью является поддержание постоянства потребления реактивной мощности и, тем самым, уменьшение ее отклонений в точке общего подключения. Это является отличием данного подхода от известных принципов регулирования режимов ДСП, в которых обеспечивается постоянство мощности в заданной точке сети за счет работы регулируемых компенсирующих устройств. Кроме того, по утверждению авторов разработки, могут быть улучшены динамические характеристики.

На рис. 17 показана схема печного трансформатора с промежуточным контуром [8]. Он состоит из главного трансформатора и дополнительного трансформатора, который не имеет магнитной связи с главным.

Регулировочный трансформатор рассчитан на 50% номинальной мощности ПТ, напряжение в промежуточном контуре цепи UZw задается на уровне среднего напряжения. Переключения осуществляются с помощью переключателя среднего напряжения, таким образом, мощность переключения может составлять 50% от мощности печи [9]. Конденсаторная батарея, предназначенная для компенсации основной и реактивной мощностей искажения, подключена в промежуточный контур. На схеме также показаны высоковольтный автоматический выключатель a0 , обеспечивающий подключение к сети высокого напряжения U1 , и контур печного тока с вторичным напряжением U2 , которое является выходным напряжением печи.

Выпрямитель для каждой фазы состоит из собственно тиристорного регулятора (НТ) и электронного выключателя нулевого напряжения (NT), который закорачивает главное реактивное сопротивление при запертых главных тиристорах НТ. Без этого ток дуги протекал бы через основную индуктивность дополнительного трансформатора, что вызвало бы перенапряжения из-за медленного увеличения тока (di/dt) в обмотке. Выходное напряжение преобразователя USt, которое идентично первичному напряжению добавочного трансформатора, может изменяться на величину от 0 до 100% напряжения промежуточного контура UZw за счет изменения угла управления тиристорами.

Благодаря принятой схеме подключения вторичные напряжения главного (U2H) и дополнительного (U2Z ) трансформаторов суммируются в нагрузочном контуре.

В результате получается выходное напряжение U2, которое можно регулировать в диапазоне от 50 до 100% выходного номинального напряжения. Диапазон регулируемой мощности находится в пределах от 25 до 100% номинальной.

Трансформатор в промежуточном контуре предназначен для грубого регулирования выходного напряжения.

В результате обеспечиваются достаточные резервы регулирования с помощью тиристорного регулятора, кроме того, это предотвращает возникновение гармоник, вызванных большими изменениями угла управления. С помощью тиристорного регулятора в промежуточном контуре можно практически обеспечить постоянство реактивной мощности, потребляемой печью. Она может быть скомпенсирована установленными фильтрокомпенсирующими устройствами, которые в этом случае могут быть выполнены нерегулируемыми.

Также из схемы исключены реакторы с контактными РПН, что обеспечивает снижение капитальных затрат.

Для исследования принципа работы дуговой печи, получающей питание от трансформатора с тиристорным управлением, авторами разработки было проведено математическое и физическое моделирование.

С этой целью создана однофазная физическая модель трансформатора с регулятором мощности в промежуточном контуре. Подробное описание рассмотренных моделей и результаты моделирования представлены в работах [6, 7]. По утверждению авторов, задачей исследований является создание электронно-управляемого печного трансформатора совместно с новой концепцией управления, которая позволяет поддерживать постоянство реактивной мощности, потребляемой печью.

В качестве основных преимуществ рассмотренного концептуального подхода названы:

1. Отсутствие необходимости в дорогостоящих регулируемых компенсирующих устройствах либо уменьшение диапазона регулирования реактивной мощности.

2. Высокое быстродействие при отработке ударного изменения нагрузки, что подтверждают осциллограммы, приведенные в названных публикациях.

3. Снижение капитальных затрат на установку регулируемых СТК.

Вместе с тем следует констатировать, что работоспособность и технические характеристики разработанного устройства исследованы только на лабораторной установке. Информация о промышленном исполнении, испытаниях в производственных условиях и внедрении в литературных источниках отсутствует.

Поэтому данное техническое решение не может быть рекомендовано для применения на исследуемых ДСП.

КООРДИНАТНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ САУЭР

Как отмечалось выше, современные сверхмощные печи являются высокоимпедансными. Это означает, что последовательно с ПТ включается реактор, индуктивность которого можно изменять в зависимости от технологической стадии. Изменение индуктивности реактора возможно путем отключения части витков его обмотки. Регулирование реактора позволяет вводить в печь различные реактивные мощности. Из выражения мощности трехфазного реактора Q = 3I 2 ωL следует, что при заданном токе регулирование мощности можно выполнить, меняя индуктивность L за счет изменения числа витков обмотки. Таким образом, регулирование индуктивности реактора возможно устройствами РПН так же, как и при регулировании напряжения ПТ.

В публикациях [10, 11] предложена двухконтурная структура координатнопараметрической САУЭР дуговой печи.

Быстродействующее регулирование режимных координат: токов дуг, мощностей дуг, реактивной мощности печи, изменяющихся по различным законам, в том числе их стабилизация на заданном уровне, реализуется путем использования тиристорного регулирования сопротивления реактора, включенного в цепь первичной обмотки печного трансформатора.

В качестве реактора в каждой фазе питания печи предлагается использовать однофазные токоограничивающие ненасыщающиеся реакторы, не требующие специальных материалов для магнитной системы. На рис. 18 представлена схема устройства регулирования мощности, описание его работы представлено в [11].

Отработка возмущений, приводящих к отклонению текущей мощности дуги от заданной, выполняется двумя независимыми контурами регулирования. Первый контур – традиционный электромеханический или электрогидравлический, функционирующий на базе одного из серийных регуляторов мощности дуг.

Он включает датчик тока дуги 1, датчик напряжения дуги 2, блок сравнения 3, усилитель 4 и механизм перемещения электрода 5. Этот контур осуществляет отработку возмущений, которые возникают в дуговом промежутке и приводят к отклонению текущей мощности дуги P д от заданного значения P дз. Регулирование осуществляется путем перемещения электрода в направлении, которое ликвидирует отклонение текущего значения мощности дуги от заданного.

Однако наличие люфтов, упругостей в элементах кинематической схемы механизма, а также значительная инерционность привода перемещения электрода оказывают отрицательное влияние на быстродействие процесса отработки возмущений по мощности дуги. Для сведения к минимуму влияния этих факторов на быстродействие и точность регулирования в систему включен дополнительный быстродействующий электрический контур регулирования мощности дуги.

В его состав входят датчики тока 1, напряжения 2, мощности дуги 6, задатчик 7 и регулятор 8 режимной координаты, блок 9 регулирования индуктивного сопротивления дросселя 10 и печной трансформатор 11.

Работа этого контура заключается в плавном изменении эквивалентного индуктивного сопротивления дросселя 10, включенного последовательно с обмоткой высокого напряжения ПТ 11, что приводит к соответствующему изменению токов дуг. Сигнал управления, в функции которого выполняется регулирование, формируется регулятором режимной координаты 8 и поступает на вход блока 9 регулирования индуктивного сопротивления дросселя.

Авторы разработки утверждают, что, благодаря высокому быстродействию регулирования эквивалентного индуктивного сопротивления дросселя, достигается возможность реализовать регулирование мощности дуг в процессе плавки со значительно меньшей динамической и статической погрешностями, чем в известных аналогичных устройствах.

Проведенный анализ показал, что данная разработка обладает рядом существенных недостатков, в частности, весь диапазон регулирования мощности дуги не может быть обеспечен только за счет регулирования реактивного сопротивления дросселя, установленная мощность которого в этом случае должна быть равна, как минимум, половине мощности трансформатора. К тому же дроссель, в отличие от индуктивного реактора, имеет нелинейную вольтамперную характеристику.

Кроме того, в рассматриваемом устройстве используется обратная связь по напряжению электрической дуги, что является существенным недостатком, поскольку на практике прямое изменение данного параметра затруднено из-за сложности реализации измерительных цепей. Также необходимо отметить, что восстановление сигнала напряжения дуги с использованием информации об активных и индуктивных сопротивлениях короткой сети, полученных при опыте короткого замыкания, не обеспечивает заданной точности регулирования напряжения дуги на начальных стадиях расплавления шихты из-за переменного значения эксплуатационного индуктивного сопротивления электрического контура, на значение которого оказывают влияние высшие гармоники токов дуг.

НАПРАВЛЕНИЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ САУЭР ДСП

Выполненный анализ работы двух ДСП-180 ЭСПЦ показал, что существующая САУЭР принципиально не может обеспечить оптимальный энергетический режим плавления и соответственно качественное протекание технологического процесса.

Высокие значения дисперсии и среднеквадратического отклонения токов дуг приводят к увеличению потребления энергии и времени плавки, что снижает производительность печи.

В результате проведенного анализа известных разработок сделан вывод, что они обладают существенными недостатками, поэтому не могут быть рекомендованы для внедрения на исследуемых сверхмощных дуговых сталеплавильных печах. Кроме того, в литературных источниках отсутствует информация об опыте промышленного внедрения каких-либо быстродействующих бесконтактных САУЭР для ДСП переменного тока. Это подтверждает актуальность проведения исследований и разработок в принятом направлении.

В диссертационных работах [12, 13], а также в публикациях [14, 15] было доказано, что с точки зрения качества технологического процесса целесообразно поддерживать постоянство активной мощности дуги на каждой стадии плавки.

Наряду с улучшением параметров технологического процесса постоянство активной мощности, потребляемой печью, способствует улучшению электромагнитной совместимости ДСП с сетью и повышению эффективности работы регулируемых компенсирующих устройств. Поэтому с позиций интенсификации процесса плавки и увеличения производительности ДСП целесообразна разработка способа и системы управления электрическим режимом по критерию постоянства максимальной активной мощности ДСП (мощности дуги) pакт = Pmax = const.

Очевидно, что разработка алгоритмов, обеспечивающих автоматическое регулирование трех взаимосвязанных координат (импеданса, вторичного напряжения ПТ и индуктивности реактора), является сложной задачей. Ее решение требует применения методов теории многосвязных систем, сепаратные каналы которых различаются быстродействием и диапазонами пропускаемых сигналов. Поэтому наиболее эффективным является решение, согласно которому, высокое быстродействие должно обеспечиваться системой тиристорного регулирования напряжения трансформатора. Задание параметров, регулируемых по этому каналу, должно поступать от менее быстродействующей системы регулирования импеданса. Канал регулирования индуктивности реактора следует принять настроечным, для него должен быть предусмотрен шунтирующий тиристорный регулятор.

Таким образом, в разрабатываемой системе функции каналов регулирования меняются на противоположные: в качестве основного (быстродействующего) канала регулирования используется тиристорное регулирование вторичного напряжения ПТ, а менее быстродействующий канал перемещения электродов обеспечивает регулирование импеданса и соответственного токов дуги.

ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ технологических стадий плавки и электрических режимов сверхмощных ДСП показал, что их основными недостатками являются низкие энергетические показатели, вызванные высоким потреблением реактивной мощности, и негативное влияние на параметры электрической энергии, создающее проблемы электромагнитной совместимости ДСП с питающей сетью.

2. Основной причиной ухудшения характеристик является высокая дисперсия токов электрических дуг (и, соответственно, токов обмоток трансформатора), что связано с нестабильностью технологического процесса, в наибольшей мере проявляющейся на начальных стадиях плавки.

3. Экспериментальные исследования, проведенные на ДСП-180, подтвердили, что средние значения коэффициента искажения тока на начальных стадиях плавки находятся в диапазоне от 5 до 12, пиковые значения достигают 40–50. Экспериментально подтверждено, что высокая дисперсия токов дуг приводит к снижению активной мощности, вводимой в печь, и ухудшению энергетических показателей.

4. Показано, что возможности снижения дисперсии и размаха колебаний токов дуг в существующих системах ограничены быстродействием канала регулирования импеданса, осуществляемого за счет перемещения электродов, и канала регулирования напряжения путем переключения РПН в промежутках между стадиями плавки. Исследованы осциллограммы переходных процессов полного сопротивления фазы при различной настройке регулятора импеданса, подтвердившие данный вывод.

5. Представлены осциллограммы тока дуги при переключениях ступеней напряжения трансформатора, подтвердившие наличие продолжительных пауз при каждой коммутации. При этом система ArCOS работает с увеличенными на 20% уставками импеданса относительно исходных значений, что необходимо для обеспечения оптимальных токовых режимов РПН. Это приводит к потере эффективного контроля над технологическим режимом в течение 2–3 мин. за цикл плавки и, как следствие, снижению производительности ДСП.

6. В качестве перспективного, наименее затратного направления, обеспечивающего решение названных проблем, обоснована разработка способов быстродействующего управления электрическим режимом за счет бесконтактного регулирования вторичного напряжения печного трансформатора.

7. Представлены известные силовые схемы подключения тиристорных регуляторов напряжения трансформаторов и индуктивности реакторов, принятые за основу при разработке быстродействующей САУЭР. Рассмотрена известная концепция управления электрическим режимом ДСП, суть которой заключается в поддержании постоянства реактивной мощности, потребляемой печью.

8. Стабилизацию электрических параметров ДСП предложено осуществлять путем быстродействующего регулирования вторичного напряжения печного трансформатора при сохранении канала регулирования импеданса в качестве основного. При этом необходимо реализовать закон управления, обеспечивающий стабилизацию заданного электрического параметра.

9. Показано, что с позиций интенсификации процесса плавки и увеличения производительности ДСП целесообразна разработка способа и системы управления электрическим режимом по критерию постоянства максимальной активной мощности ДСП (мощности дуги) pакт = Pmax = const.