ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Электроприводы управления дуговыми сталеплавильными печами

Возможность снижения энергопотребления в энергоемких про­изводствах за счет использования быстродействующих частотно­регулируемых электроприводов рассмотрим на примере дуговых сталеплавильных печей (ДСП).

Выплавка высококачественной стали в дуговых сталеплавиль­ных печах [59] в настоящее время становится экономически более целесообразной, чем в мартеновских или другого типа печах. Од­нако многие существующие ДСП морально и физически устаре­ли, а создание новых требует значительных капиталовложений, поэтому одним из основных способов решения данной проблемы считается модернизация существующих ДСП.

На многих действующих ДСП, построенных 15...20 лет назад, используется аналоговая или простейшая цифровая система уп­равления, которая не соответствует современным требованиям к производительности печи, удельному расходу энергии, качеству выплавляемой стали, надежности и т. д. В последние годы наме­тился качественный скачок в области микропроцессорных систем автоматического управления и электрического привода, связан­ный с совершенно новым подходом к решению задач управле­ния, проектирования систем управления и автоматизации, новы­ми технологиями монтажа и наладки. Существующие системы уп­равления ДСП основаны на достаточно простых законах управле­ния и имеют низкое быстродействие, определяемое датчиками и исполнительными устройствами.

С другой стороны, технология выплавки стали в ДСП, основ­ные механизмы печи и технологическое оборудование не претер­пели за это время столь значительных изменений и требуют лишь ревизии и своевременного ремонта. Поэтому следует признать эко­номически целесообразным модернизацию существующих ДСП путем замены системы управления и ряда исполнительных уст­ройств на современные. При этом должны использоваться наибо­лее эффективные законы управления, а также многоуровневая система автоматизации с развитыми подсистемами визуализации, диагностики, статистической обработки и документирования.

Все эти требования могут быть удовлетворены при использова­нии мощных программируемых контроллеров и современных си­стем привода электродов на нижнем уровне автоматизации и про­мышленных персональных ЭВМ — на верхнем. При этом суще­ственную роль играют алгоритмы регулирования и быстродействие отдельных элементов системы.

Так как в дуговой печи имеют место частые броски тока, особен­но в период расплавления, то в ней токи эксплуатационного корот­кого замыкания должны быть ограничены до безопасного для элек­трооборудования значения, а система автоматического регулиро­вания должна быстро реагировать на эти броски и ликвидировать их. В целом работа ДСП характеризуется нестабильностью дуги особенно на этапе расплавления, значительными бросками тока в процессе работы, которые носят случайный характер. Одним из основных параметров, определяющих качество стали и удельный расход электроэнергии, является дисперсия тока дуги d, умень­шение которой следует считать одной из главных задач модерни­зации печи.

На рис. 4.13 показаны зависимости активной мощности Р и cos ср ДСП-200 от тока дуги при разных дисперсиях этого тока, а на рис. 4.14 — зависимости удельного потребления энергии Wya и

продолжительности расплавления /р сталеплавильной печи ДСП - 200 мощностью 45 MB А от тока дуги при разных дисперсиях это­го тока [39]. На рис. 4.13 и 4.14 видно, что при одном и том же токе, но разных уровнях его пульсации характеристики ДСП-200 значительно отличаются как по среднестатистическим значениям активной мощности и коэффициента мощности, так и по удель­ному расходу энергии и продолжительности расплавления. Стати­стическая оптимизация работы регулятора мощности сталепла­вильной печи по критерию минимума дисперсии тока дает значи­тельное повышение технико-экономических показателей ДСП. Та­кая оптимизация может быть выполнена, например, с использо-

ванием известных методов вариационного исчисления. Очевидно, что успешное решение этой задачи зависит от качества и быстро­действия всех элементов, входящих в замкнутый контур регули­рования мощности дуги, в том числе электропривода перемеще­ния электродов.

В качестве регулируемого электропривода электродов исполь­зуется привод постоянного тока, в конструкции двигателя кото­рого имеется коллектор и щеточный аппарат, что усложняет экс­плуатацию двигателя, приводя к дополнительным расходам на его техническое обслуживание. Асинхронный двигатель имеет прочную конструкцию, надежен и практически не требует обслуживания по сравнению с двигателем постоянного тока, что очень важно, учитывая тяжелые условия эксплуатации электропривода элект­родов. Сложность использования этого двигателя в регулируемых установках состоит в том, что энергетические показатели и диа­пазон регулирования его скорости, сопоставимые с приводом по­стоянного тока, может обеспечить только преобразователь часто­ты. Ограничение применения частотно-регулируемого привода было связано с большой стоимостью этих преобразователей и их срав­нительно невысокой максимальной мощностью.

Ведущие предприятия-изготовители, специализирующиеся в области электроприводов, выпускают в основном преобразовате­ли частоты с цифровым управлением по схеме «неуправляемый выпрямитель — автономный инвертор напряжения с широтно­импульсной модуляцией». Приводы, выполненные на основе этих преобразователей, являются наиболее перспективными. В насто­ящее время выпускаются электроприводы на основе технологии «прямого управления моментом», позволяющие получать макси­мальное быстродействие, поэтому современные частотно-регули­руемые электроприводы наиболее полно соответствуют требова­ниям, предъявляемым к электроприводам электродов.

Самые тяжелые условия эксплуатации электропривода пере­мещения электродов приходятся на период расплавления шихты. В этот период дуга горит нестабильно и регулятор мощности часто меняет задание на скорость двигателя для того, чтобы поддержать заданные напряжение и ток дуги. С другой стороны, на заключи­тельных этапах плавки нет частых включений двигателя, так как дуга горит стабильно, т. е. периоды отключения преобладают над рабочими периодами электропривода.

При разработке регулятора необходимо правильно выбрать па­раметр регулирования, достаточно полно характеризующий от­клонение режима работы ДСП от заданного.

Качество выплавляемого металла зависит от подводимой мощ­ности электроэнергии. Регулирование активной мощности может быть осуществлено изменением напряжения печного трансформа­тора или перемещением электродов. Изменение напряжения произ­

водится вручную или автоматически переключением ступеней транс­форматора, поэтому единственным каналом быстрого изменения активной мощности является перемещение электродов. При пере­мещении электрода изменяется длина дуги и, как следствие, на­пряжение дуги, сила тока и активная мощность.

Принципиально возможно построение регуляторов, поддержи­вающих один из следующих параметров на заданном уровне: силу тока дуги /д; напряжение дуги Ua; сопротивление дуги Za = Ua/Ia (или ее длину); активную мощность дуги Рл.

Однако все эти способы обладают недостатками, затрудня­ющими применение соответствующих регуляторов [1]. Наилучшие результаты дает регулятор, в котором в качестве регулируемого параметра принята разность

V 7і =bI*(z*>-zR) = M^z,

где an b — настроечные коэффициенты; ZaQ и Za — соответствен­но заданное и текущее значения полного сопротивления дуги.

В дуговых электропечах обычно используется принцип регулиро­вания «по отклонению». Для этого формируется сигнал ошибки как разность заданного и текущего значений регулируемого пара­метра:

є = а1ъ - ЬС - aIA + bUA - a(I3 - /д) - b(C - Ua),

где /3 — заданное значение тока дуги; С — константа, соответству­ющая напряжению первой ступени трансформатора.

Далее сигнал ошибки, вычисленный для каждого электрода, используется в регуляторе мощности для формирования сигнала задания на соответствующий электропривод.

Регулятор мощности дуги при минимизации дисперсии тока состоит из линейной динамической части, синтезируемой, напри­мер, методами классического вариационного исчисления, и ста­тической нелинейной части, которая формируется из следующих соображений. На стадии расплавления предлагается (в отличие от традиционной линейно-релейной) параболическая характеристика регулятора, чтобы система слабо реагировала на незначительные изменения тока дуги, но быстро отрабатывала резкие изменения режима, в том числе короткие замыкания и обрывы дуги. Вместе с тем на поздних стадиях плавки резких изменений режима не происходит, поэтому здесь желательно увеличить чувствительность регулятора с одновременным уменьшением максимальной ско­рости перемещения. Статические характеристики такого регуля­тора представлены на рис. 4.15. Здесь сплошной линией представ­лена характеристика регулятора на стадии расплавления, пункти­ром — на стадии доводки.

Рис. 4.15. Статическая характеристи­ка регулятора мощности дуги одной фазы в ДСП: соп, сос — максималь­ные угловые скорости соответствен­но подъема и спуска электродов; (S — ширина зоны нечувствитель­ности; т — коэффициент снижения скорости на этапе доводки

Функциональная схема регулятора мощности дуги одной фазы приведена на рис. 4.16. Сигналы, пропорциональные току /д и на­пряжению дуги Ua, поступают соответственно с трансформатора тока (ТТ) и трансформатора напряжения (ТН) на выпрямители тока (ВТ) и напряжения (ВН). Затем сигналы фильтруются фильт­рами (Ф), после чего через аналого-цифровые преобразователи подаются на соответствующие входы программируемого логиче­ского контроллера (ПЛК), в котором согласно алгоритму работы регулятора рассчитывается задание на скорость двигателя, которое подается затем на привод ППЧ—АД.

Таким образом, регулятор мощности дуги, синтезированный по критерию минимума дисперсии колебаний тока, в сочетании с быстродействующим частотно-регулируемым асинхронным элекг-

роприводом в качестве исполнительного устройства позволяет повысить технико-экономические показатели, снизить потребле­ние энергии и повысить коэффициент мощности ДСП. В гл. 5 бу­дут рассмотрены примеры осуществления систем управления ДСП и конкретные данные по эффективности такого подхода.

Учитывая установленную высокую мощность таких объектов, можно рекомендовать использование аналогичного подхода при реконструкции и проектировании других электротермических уста­новок, например рудовосстановительных, электрошлаковых и вакуумных дуговых печей, а также некоторых индукционных уста­новок.

В заключение отметим, что приведенные примеры производ­ственных механизмов и технологических процессов, а число их можно увеличить, подтверждают, что использование для них ча­стотно-регулируемых асинхронных электроприводов с системой технологической автоматики позволяет повысить качество управ­ляемых процессов в переходных и установившихся режимах и обес­печить существенные ресурсо - и энергосбережения, количествен­ные оценки экономии которых будут приведены в гл. 5.