CC BY
30
ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.365:681.51
В. И. ДОМ АЛОВ, А. В. ДОМАНОВ, С. М. МАРАГА
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКА ДУГОВОЙ ПЛАВИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Рассматриваются вопросы разработки системы автоматического регулирования тока дуговой плавильной установки. Анализируются различные режимы работы и их влияние на поведение системы регулирования. Приводится расчет одноконтурной системы регулирования. Показано преимущество применения упреждающей коррекции в данной системе регулирования.
Ключевые слова: дуговая плавильная установка, автоматическое регулирование тока.
Дуговые печи являются основными агрегатами для получения качественного металла. Процесс плавки можно разделить на несколько технологических этапов [1]: плавление твёрдой шихты, окисление и раскисление. Плавка осуществляется за счёт энергии дуги между электродом и шихтой (расплавом). Подводимая мощность регулируется изменением длины дуги за счёт перемещения электрода. Как отмечается [1], градиент потенциала в столбе дуги ((3) и при-электродное падение напряжения (а) меняются в зависимости от этапа работы, соответственно
меняется длина дуги (Хл). В таблице I приведены соответствующие данные.
Дуговая плавильная установка (ДПУ) является сложным объектом, на который действуют управляющие и возмущающие воздействия. Для управления энергетическим режимом ДПУ используются два воздействия - изменение длины дуги с помощью перемещения электрода и изменение питающего напряжения. В работе рассматривается первый способ регулирования. Возмущающие воздействия связаны с нестабильностью горения дуги на некоторых этапах, с резкими колебаниями тока от замыкания электродов с шихтой и обрыва дуги. При этом колебания тока отрицательно влияют на энергетиче-
ские показатели, поэтому они должны отрабатываться с максимальным быстродействием.
Перемещение электрода осуществляется гидроприводом. Структурная схема одноконтурной системы регулирования тока приведена на рис. 1.
Напряжение дуги определяется по формуле иД = а + р*/д* (1)
На вход системы регулирования тока поступает сигнал задания ¿Узадт . По цепи обратной связи с датчика тока с коэффициентом в узел суммирования поступает сигнал обратной связи Уост - Сигнал рассогласования поступает на регулятор тока с передаточной функцией ^Л^р), а затем на обмотку электромагнита, управляющего работой пропорционального клапанного регулятора который имеет нелинейную характеристику НЭ1. На выходе клапанного регулятора под действие управляющего сигнала изменяется расход жидкости, поступающей в гидроцилиндр. Он приводит к перемещению штока У^р), на котором закреплён подвижный электрод.
По эквивалентной электрической цепи можно составить уравнение
Щ = Е- /сил (Ях + Ьхр\ (2)
где Я* = Ят + Ящих + ^зп +
1Х = I*
Таблица 1
Расплавление Окисление Восстановление
Градиент, В/мм 10-12 3,5-4,0 1,0-1,2
Приэлектродное напряжение, В 22 9 30
Длина дуги, мм (1)д= 60 В) 3,8-3,2 14,6-12,8 30-25
© В. И. Доманов, А. В. Доманов, С. М. Марага, 2009
и ЗАД.'Г
и
ост
I
Н.Э 1
УРОВНЯ
Кост
к}/я [Г р
Тхр +1 л р
и
сил
1
д
Рис. 1. Структурная схема одноконтурной системы регулирования тока
I Япр
я
др
Ь
др
Я
эл
с®
и = а + р*1
и
т
Я
}
ШИХ
д
Рис. 2. Эквивалентная электрическая цепь силового тока: Е - выпрямленное эдс вторичной обмотки
трансформатора; ¿т - приведенные сопротивление и индуктивность трансформатора; 7?пр - суммарное сопротивление подводящих цепей; сопротивление электрода; Ящих - сопротивление шихты;
/?дР ¿др - сопротивление и индуктивность дросселя; а + (3 Ьд- падение напряжения на дуге (£/д)
Эквивалентная электрическая цепь силового тока приведена на рис. 2.
Сопоставляя уравнения (1) и (2), получим выражение, связывающее /сил и /д:
Е-а-йд
¡сил--
Ях+ЬхР '
(3)
На структурной схеме (рис. 1) эта зависимость отражается участком от /х до /сил-
Приведённая схема является нелинейной, её параметры (а, Д /?ших) существенно зависят от режима работы и содержат случайную составляющую (А/)- Кроме того, напряжение и ток не меняют полярность, что отражается диодами на структурной схеме.
Проведём расчёт регулятора системы И^тСр), пренебрегая нелинейностями отдельных звеньев.
г
Неизменяемая часть \¥0б(р), описывается выражением
* „ Коб
К0СТ= Р(ТсР+0 ~Р(ТсР+1)
(4)
где Тс = Т, + Тх .
Для подобных систем можно провести настройку контура на технический оптимум. В этом случае передаточная функция регулятора
IV рт(р)-'
(5)
2 0РАС К} КгКостТс
Переходный процесс будет соответствовать оптимальной настройке только при условии
/?тек = /?рас • (6)
Расчётное значение /?РАС выбирается таким, чтобы текущее изменение /?тек не увеличивало колебательность системы регулирования. Однако в процессе работы меняется на порядок, поэтому в определённых режимах инерционность контура регулирования при такой настройке существенно возрастает. Это может привести к обрыву дуги и ухудшению энергетических показателей. Поэтому необходимо принимать меры по поддержанию высокого быстродействия во всех режимах работы.
Одним из возможных путей решения этой задачи является применение упреждающей коррекции [2], так как система, построенная таким образом, приобретает свойства параметрической инвариантности, что даёт возможность сохранить высокое быстродействие при изменяющихся параметрах.
Для реализации узла упреждающей коррекции необходимо установить датчик положения штока гидроцилиндра, т. е. выполнить измерение /х. Линеаризованная структура системы автоматического регулирования тока в ДПУ с упреждающей коррекцией представлена на рис. 3.
Упреждающая коррекция в данной системе представляет собой дифференциальную вилку, состоящую из звена статической модели
щру-Щ^-
Кх
и реальных звеньев системы
(7)
(8)
С дифференциальной вилки сигнал через коэффициент передачи модели объекта поступает на вход системы в виде гибкой корректирующей обратной связи.
Такое построение системы позволяет снизить влияние изменения параметров реальных звеньев, стоящих в дифференциальной вилке. В рассматриваемой системе регулирования тока ДПУ все переменные параметры (а Д /?ших) и случайные воздействия А/ находятся в этих звеньях.
Применение упреждающей коррекции позво-- ляет таким образом улучшить качественные показатели системы и повысить её быстродействие во всех режимах работы.
При создании системы регулирования тока была разработана программа управления гидроприводом перемещения электрода, реализованная на микроконтроллере. Программа содержит следующие модули:
1. Установки начального смещения двух ШИМ-сигналов;
2. Согласованного управления двух ШИМ;
3. Управляемого смещения двух ШИМ-сигналов относительно друг друга;
4. Нормализации сигналов управления.
Модуль установки начального смещения двух
ШИМ-сигналов обеспечивает начальное смещение ШИМ-сигналов. Это необходимо для компенсации зоны нечувствительности в характеристике управления гидроцилиндром. Зона нечувствительности присутствует во всех подобных гидравлических узлах, но величина зоны зависит от конкретных механизмов и условий работы.
WPT KJR К2
TiP +1 Р
/
х
I
рр
■ Rx
JV3
1 /Rx
Тхр +1
/
д
Рис. 3. Линеаризованная структура системы автоматического регулирования тока
в ДПУ с упреждающей коррекцией
Поэтому в процессе настройки под конкретный объект управления4 необходимо использовать возможность подстройки смещения с помощью модуля управляемого смещения двух ШИМ-сигналов относительно друг друга.
При первоначальном включении микроконтроллера в систему управления необходимо скорректировать начальные установки программы, в частности, с помощью модуля управляемого смещения двух ШИМ-сигналов обеспечить такую настройку системы управления, которая бы компенсировала зону нечувствительности в характеристике управления гидро цилиндра ми.
Для обеспечения согласованного управления двумя гидроцилиндрами, которые обеспечивают два противоположных движения, используется модуль согласованного управления двух ШИМ. При поступлении аналогового управляющего сигнала на вход АЦП микроконтроллера происходит формирование двух ШИМ-сигналов, причем входной управляющий сигнал действует на них противофазно, то есть приращение скважности ШИМ-сигнала на одном канале сопровождается уменьшением скважности ШИМ-сигнала на втором канале. При таком управлении формируется согласованное управление двумя гидроцилиндрами, обеспечивающими перемещение по одной оси.
Модуль нормализации сигналов управления обеспечивает согласование уровней входных аналоговых управляющих сигналов с величиной скважности выходных ШИМ-сигналов. Это позволяет согласовать работу микроконтроллера с различными входными узлами управления.
Сигналы задания с управляющего контроллера и обратной связи по току с датчика поступают на АЦП микроконтроллера. Микроконтроллер в соответствии с заданным законом управления формирует на своих выходах два ШИМ-сигнала, которые усиливаются промежуточным усилителем и поступают на управление гидроцилиндрами. При этом один гидроцилиндр обеспечивает движение электрода вниз, а другой - вверх. Такое построение гидросистемы требует от системы управления, в частности от программы, отмеченных ранее особенностей функционирования: согласованное управление двумя ШИМ-
сигналами и вправляемое смещение двух ШИМ-сигналов относительно друг друга.
Управляющий контроллер регулирует величину тока плавки за счет программного изменения напряжения задания, которое поступает на задающий вход микроконтроллера. При этом микроконтроллер под управлением разработанной программы изменяет скважности выходных ШИМ-сигналов таким образом, чтобы обеспечить перемещение электрода до состояния, когда ток плавки будет соответствовать заданному. В соответствии с этим разработанная программа обеспечивает следящий режим работы системы регулирования по силовому току.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Свенченский, А. Д. Автоматическое управление электротермическими установками : учебник для вузов / А. М. Кручинин, К. М. Махмудов, Ю. М. Миронов; под ред. А. Д. Свенчен-ского. - М. : Энергоатомиздат, 1990. -416 с.
2. Боровиков, М. А. Расчёт быстродействующих систем автоматизированного электропривода и автоматики / М. А. Боровиков. - Саратов : Изд-во Саратовского университета, 1980. - 390 с.
Домаиов Виктор Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» энергетического факультета УлГТУ. Имеет статьи и доклады по вопросам повышения качества автоматизированных электроприводов. Автор 7 изобретений
Домаиов Андрей Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» энергетического факультета УлГТУ. Имеет статьи и доклады по исследованию вентильных двигателей и оптимальному управлению. Марага Сергей Михайловичу старший преподаватель кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» энергетического факультета УлГТУ.
