ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Запорізький національний технічний університет
Крисан Юрій Олексійович
УДК 621.83.3.067-621.83.3.014
система ВЗАЄМОПОВ’ЯЗАНОГО РЕГУЛЮВАННЯ КООРДИНАТ ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНОГО КОМПЛЕКСУ потужних ДУГОВИХ ПЕЧЕЙ
Спеціальність – 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Запоріжжя – 2004
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Запорізькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Запоріжжя.
науковий керівник – доктор технічних наук , доцент
Труфанов Іван Дмитрович,
Запорізький національний технічний університет, м. Запоріжжя,
професор кафедри електропривода та автоматизації промислових
установок Міністерства освіти і науки України.
Офіційні опоненти – доктор технічних наук , професор
Коцегуб Павло Харитонович,
Донецький національний технічний університет, м. Донецьк,
завідувач кафедри електропривода та автоматизації промислових
установок Міністерства освіти і науки України.
кандидат технічних наук, доцент
Паранчук Ярослав Степанович,
Національний університет “Львівська політехніка”, м. Львів,
доцент кафедри електропривода та автоматизації промислових
установок Міністерства освіти і науки України.
Провідна установа – Кафедра “Електромеханічні системи з комп’ютерним керуванням”,
Одеський національний політехнічний університет,
Міністерства промислової політики України, м. Одеса.
Захист відбудеться “_7_” __квітня__ 2004 р. о _1330 годині
на засіданні спеціалізованої вченої ради К 17.052.02 у Запорізькому національному технічному університеті за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64, ауд. 226.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Запорізького національного технічного університету.
Автореферат розіслано “_4_” _березня_ 2004 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради В.І. Бондаренко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми.
Сучасне електросталеплавлення на міні-заводах і заводах з повним металургійним циклом базується на застосуванні потужних дугових печей з реалізацією технології плавлення металу вищого рівня, що супроводжується зростанням технологічної ємності печей за “придатним”, широким використанням альтернативних енергоресурсів, застосуванням потужних електротехнічних і енерготехнологічних комплексів. Необхідність у проведенні і подальшому розвитку наукових, дослідно-конструкторських і промислово-експериментальних робіт в галузі підвищення структурно-економічної ефективності енергооснащеності й автоматизації технологічних процесів електросталеплавлення полягає в:
- недостатньому алгоритмічному забезпеченні розробок математичних моделей і систем динамічного функціонування електротехнологічних комплексів дугових печей у реальному масштабі часу на основі сучасних досягнень в галузі обчислювальної математики і керуючих ЕОМ;
- необхідності подальшого удосконалення існуючих і розробці сучасних методик синтезу алгоритмів динамічної ідентифікації процесів взаємопов’язаного регулювання координат електротехнічних комплексів стосовно умов їхнього динамічного функціонування як високотемпературних теплотехнологічних агрегатів потужних дугових сталеплавильних печей;
- подальшому підвищенні характеристик спостережуваності і керованості енергоефективної системи взаємопов’язаного регулювання координат електротехнічного комплексу сталеплавильного агрегату;
- необхідності модернізації існуючих і розробці нових функціонально гнучких систем регулювання напруги пічного трансформатора печей.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертація виконана в межах Державної науково-технічної програми “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології”, відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України від 1.07.94р., 7.02.96 №163, і Комплексної Державної програми енергозбереження України, затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 05.02.97 №148 та розпорядженням голови обласної державної адміністрації від 19.02.97 №1 “Про першочергові заходи щодо формування обласної програми енергозбереження та забезпечення її виконання”; Концепції “Обласної комплексної програми енергозбереження”, затвердженої рішенням сесії обласної Ради народних депутатів від 30.06.95 №1; темплана Міністерства освіти України, затвердженого 28.05.96р. “Розробка нових методів управління складними динамічними системами і технологічними процесами”.
Мета і задачі дослідження.
Метою дисертації є: розробка енергозберігаючої системи взаємопов’язаного регулювання режимів роботи електротехнічного комплексу дугових печей на основі інтегрального критерію енергозбереження; розробка алгоритмічних структур і підвищення показників якості параметрів високоефективних засобів керування режимами плавлення металу в ДСП і ДСППС.
Для реалізації мети були вирішені такі основні задачі:
- розробки алгоритмів і структури підсистеми ідентифікації параметрів функціонування системи взаємопов’язаного регулювання координат електросталеплавлення на базі прецизійних електромеханічних систем;
- розробки структури взаємопов’язаних систем регулювання режимів роботи дугових сталеплавильних печей на основі диференціальних і інтегральних критеріїв оптимізації;
- розробки алгоритмів прямого цифрового керування на базі промислових контролерів з динамічною оптимізацією координат електрокомплексу;
- динамічної корекції структури і параметрів математичної моделі ідентифікаційної підсистеми оцінки статистичного критерію оптимальності в реальному масштабі часу;
- розробки математичної моделі оптимальних оцінювань вектора стану системи енергозабезпечення сталеплавильного комплексу на базі сучасних досягнень в галузі керуючої обчислювальної техніки.
Предмет дослідження – електротехнічні комплекси, енерготехнологічні системи і системи автоматизації технологічних процесів електросталеплавлення за технологією вищого рівня на базі потужних дугових печей.
Об'єкт досліджень – системи керування і регулювання координат режимів роботи комплексу енерготехнологічного, електротехнічного й електромеханічного устаткування потужних дугових сталеплавильних печей.
Методи досліджень: - операторний метод; - методи оцінювання експертних систем і теорії імовірності; - методи математичного моделювання; - методи крайових задач математичної фізики; - методи нелінійної теорії автоматичного регулювання і керування в задачах розробки структури системи багатозв’язкового регулювання координат дугової сталеплавильної печі; - методи аналітичних досліджень і теоретичних розробок алгоритмічної структури системи оптимізації за енергозбереженням режимів роботи потужних дугових печей; - дослідно-експериментальні дослідження в лабораторних умовах Запорізького національного технічного університету, дослідного підрозділу ВАТ НДІ силової електроніки “Перетворювач”, ВАТ “Перетворювач”, сталеплавильного виробництва ВАТ Дніпроспецсталь.
Наукова новизна одержаних результатів.
На основі теоретичного узагальнення результатів вітчизняних і закордонних науково- експериментальних досліджень у галузі систем електропостачання та регульованих електротехнічних комплексів електрометалургії отримані нові результати:
- вперше розроблений алгоритм і розроблені математична модель і функціональна структура системи динамічної ідентифікації параметрів каналу автоматичного регулювання напруги пічного трансформатора і струму дуги сталеплавильного комплексу в реальному масштабі часу у функціях параметрів статики і динаміки режимів плавлення металу за технологією вищого рівня в потужних дугових печах;
- вперше запропонована функціональна і алгоритмічна структури комп'ютеризованої системи автоматичного регулювання напруги пічного трансформаторного агрегату і потужності електричної дуги;
- вперше запропонована і розроблена алгоритмічна структура і методика математичного моделювання і проектування комп'ютерної системи автоматичного взаємопов’язаного регулювання каналів регулювання напруги пічного трансформатора і потужності енергетичних потоків електросталеплавильного агрегату, проведене економічне оцінювання досяжного рівня енергозбереження на основі зазначеної системи автоматизації енергопроцесів технології плавлення металів вищого рівня на основі потужних дугових печей.
Практичне значення одержаних результатів полягає в
- розробці методики ідентифікації динамічних параметрів каналів регулювання напруги електропічного трансформатора і регулювання струму дуги регулятора потужності дугової печі;
- розробці і конструктивній реалізації комп'ютерної електромеханічної системи регулятора потужності дугової печі;
- розробці математичних моделей і алгоритмічної структури комп'ютерної електромеханічної системи взаємопов’язаного регулювання координат електротехнічного комплексу і системи автоматизації режимів плавлення металу за технологією вищого рівня в потужних дугових печах;
- з урахуванням умов розподілу напруг у гнучких елементах механічної частини регулятора потужності отримані залежності критичних навантажень, структурно стійкої до факторів втрати динамічної стійкості руху системи.
Матеріали дисертаційної роботи використані в проекті системи керування потужністю перетворювачів для виплавки кришталевого кремнію на ВАТ “Запорізький алюмінієвий комбінат”, системи керування режимом роботи економайзера на печах №2 і №4 типу ДСП-50-Н2-У4 СПЦ-2 ВАТ електрометалургійний завод “Дніпроспецсталь”; навчальному процесі Запорізького національного технічного університету при вивченні дисциплін “Системи керування електроприводами”, “Прецизійні електроприводи”, “Комп’ютерні системи автоматизації ”, а також у курсовому та дипломному проектуванні.
Особистий внесок здобувача.
У [1] – розробка загальносистемних параметрів динаміки механізму регулювання довжини дуги дугових печей; [2] – розробка математичних алгоритмів керування процесами енергозбереження в електросталеплавленні; [3] – розробка алгоритму прямого цифрового керування на основі інтегрального критерію енергозбереження; [4] – розробка моделей динамічного функціонування системи взаємопов’язаного регулювання координат електротехнічного комплексу на базі прецизійних електромеханічних систем; [5] – розробка параметрів системного математичного моделювання динаміки пружно- деформованого стану механічної системи регулятора потужності дугової печі; [6] – розробка системотехнічних алгоритмів реалізації енергозберігаючих систем керування процесами електроперетворення; [7] – розробка моделей і алгоритмів математичного проектування систем керування динамічними електроенергетичними процесами в електротехнологічних комплексах потужних дугових сталеплавильних печей.
Апробація результатів дисертації.
Основні наукові положення, теоретичні питання і задачі розробки систем автоматизації технологічних процесів електросталеплавлення, створення систем енергозберігаючого енерго- і електроустаткування електрометалургії, результати і методологія аналітичних, лабораторно-експериментальних і дослідно-виробничих досліджень за темою дисертації обговорювалися й одержали схвалення на: Міжнародних конференціях “Плазмотехнологія-99”, Запоріжжя, 1999; VIII-ої, IX-ої, X-ої Міжнародних науково-технічних конференціях “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика”, Україна, Харків, 2000, 2001, 2002; Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми створення нових машин і технологій”, Кременчук, 2001; 3-й Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми економії енергії" i 3-й Міжнародній спеціалізованій виставці "Енергоощадність 2001 "м.Львів 2001; XIII Регіональному семінарі "Комп'ютерні технології: нові рішення" м. Запоріжжя 2001; Міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп'ютерної інженерії" TCSET'’2002 Присвячена 50-річчю Радіотехнологічного факультету Національного університету "Львівська політехніка " Львів — Славсько 2002.
Публікації. По темі дисертації опубліковано 7 статей у виданнях, затверджених ВАК України.
Структура та обсяг дисертації.
Дисертація складається зі вступу, 6 розділів, висновків, 4 додатків. Загальний обсяг дисертації містить 218 сторінок, у тому числі 171 сторінка основного тексту, 64 рисунка, 16 таблиць, список використаних джерел із 159 найменувань на 14 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі відображено сучасний стан електросталеплавиьного виробництва і його електротехнологічних комплексів і систем України і світових сталевиробничих фірм. Відзначено особливості дугових печей постійного і змінного струмів електрометалургійних агрегатів. Освітлено питання реалізації технології плавлення металів вищого рівня на печах нового покоління.
Відбито досвід упровадження нових і новітніх систем керування електроплавкою чистих, особливо чистих металів прецизійних сплавів зі спеціальними властивостями. Керування технологічними процесами плавлення металів базується на основі електротехнічних комплексів, статичні і динамічні характеристики яких є статистично детермінованими і стохастичними на різних етапах плавки.
Розробка методів побудови структур технічних засобів керування електротехнологічним сталеплавильним комплексом базується на результатах проведення науково-дослідних робіт в галузі математичного моделювання і динамічної оптимізації режимів роботи електропічного агрегату на основі комп'ютерних систем регулювання координат потужності електричної дуги й агрегатів подачі альтернативних енергетичних потоків, шихтових матеріалів, елементів окислювання, рафінування і розкислення як для технології плавлення на агрегатах з повним і неповним металургійними циклами. У цих умовах основним фактором енергоекономічної ефективності електросталеплавлення є енерго- і ресурсозбереження в дугових електротехнологічнх комплексах на основі використання простих конструктивних засобів, покликаних знизити ступінь впливу електропічного агрегату на мережу живлення, підвищити ККД і продовжити термін служби агрегату, скоротити термін плавки, підвищити якість “придатного”, зменшити витрати електроенергії, графітованих електродів, чад легуючих, підвищити теплотехнічний градієнт як у період розплавлювання, так і в інші періоди.
Освітлено зміст основних положень, що складають наукову новизну, і її практичну цінність, сформульовані об'єкт, предмет і методи досліджень, поставлені задачі досліджень.
У першому розділі розглянуто основні системотехнічні фактори плавлення металу в дугових сталеплавильних печах, як високоефективних агрегатів плавлення чистих і надчистих металів й спеціальних сплавів важких чорних і кольорових металів.
Конструкція печей і їх електротехнічних і енерготехнологічних комплексів удосконалюються в напрямку забезпечення технології вищого рівня: розплавлювання завалки в пічному агрегаті і підводка в ПК або в АКОС.
Електротехнологічний пічний агрегат облаштовується комплексами регульованої подачі природного газу, кисню, вугільного порошку й інших альтернативних енергопотоків.
Основні напрямки досліджень з підвищення ефективності енергокомплексу дугових печей містять у собі підвищення індуктивності з боку ВН пічного трансформатора (фірма ASEA), що знижує струм експлутаційного короткого замикання та дозволяє експлутацію комплексу на ступенях більшої напруги НН зі зниженим струмом електродної системи, стабільним електричним режимом при високому коефіцієнті потужності.
Рис. 1. Графіки потужності що вводиться в дугову піч ДСП-50. Період розплавлення.
Сучасні методи алгоритмічного забезпечення оптимізації експлутаційних параметрів базуються на факторах підвищення ємності печей і потужності електропічних агрегатів постійного та змінного струмів з розширенням діапазонів регулювання потужності дуги і розвитком робіт зі створення автоматично регульованих систем РПН і на їхній основі багатозв’язкових систем регулювання потужності по каналах напруги пічного трансформатора і струму електричної дуги, що особливо важливо для електропічних агрегатів змінного струму.
Для потужних сталеплавильних печей на сучасному етапі розвитку печебудування з реалізацією технології плавлення вищого рівня основними електропічнми агрегатами вважаються трансформаторні агрегати змінного струму (провідні фірми MAN GHH, Clesim, Nippon Cocan, Voest-Alpine і інші)
Основним напрямком досліджень в галузі оптимізації процесів керування електричними і енерготехнологічними режимами дугових печей для електрометалургійних міні-заводів і заводів з повним металургійним циклом є напрямок застосування методів інтелектуального керування, алгоритмів екстремального й адаптивного регулювання, а також керування на основі алгоритмів штучного інтелекту (електронних нейронних мереж).
У дисертації проводиться розробка системи взаємопов’язаного регулювання координат електротехнічного комплексу потужної дугової печі для виплавки металу за технологією вищого рівня. Розробка системи проводиться на основі методології динамічної ідентифікації параметрів “короткої мережі” серійного зразка дугової печі ємністю 50т ВАТ Дніпроспецсталь (м. Запорожжя) (дугова сталеплавильна піч ДСП 50-Н2-У4 і трансформаторний агрегат ЕТЦН-32000(35-У73)) (рис.1).
Як вхідна інформація для розроблювальних систем використовуються сигнали, пропорційні напрузі високого і низького боків пічного трансформатора, струму і похідних струму електричних дуг кожного електрода, номера ступінів РПН, потужності теплових потоків на футеровку й інше. Як коригувальні параметри приймаються параметри гармонічного складу первинної і вторинної напруги пічного трансформатора, коефіцієнта потужності, напруг зміщення нульової точки й інше.
Основним критерієм, що забезпечує високі показники енергозбереження електротехнічного комплексу, приймається метод оптимізації параметрів і режимів сталеплавлення, заснований на виборі номінальним струмом, такого значення експлутаційного струму, обмеженого пропускною здатністю графітованих електродів, і вторинної напруги трансформатора, оптимального за мінімальним енергоспоживанням печі в різні періоди плавлення.
Синтез систем автоматизації контролю і керування координат електротехнологічними процесами в багатоелектродних дугових печах пов'язаний з вирішенням задач розробки програмно–технічних засобів, що реалізують алгоритми ідентифікації динамічних параметрів електротехнічного та енерготехнологічного комплексів і технологічних процесів плавлення металу, слабко- і неспостерігаємих в зонах безпосереднього контролю, зон струмопровідного середовища ванни, газодинамічного тракту, фізико–хімічних процесів окислювання, рафінування і розкислення розплаву ванни.
Динамічні процеси електротехнічного комплексу, енергокомплексу подачі альтернативних енергоресурсів і теплотехнічного тракту мають тимчасові характеристики, в наслідок чого практично всі розроблені засоби автоматизації контролюють тільки статичні статистичні (інтегральні) параметри комплексу (контроль внутрішніх енергетичних параметрів піделектродних зон печі практично неможливий). Такі параметри опосередковані через жорстко регламентовані характеристики технологічного процесу плавлення конкретного типу печі.
У дисертації вирішується задача розробки системи диференціального контролю електротехнологічних режимів електропічного трансформаторного комплексу, що забезпечує можливість динамічної ідентифікації внутрішніх електроенергетичних параметрів різних типів печей при веденні плавок за різними технологічними картами що базується на функціональній і алгоритмічній здатності сучасної промислової керуючої обчислювальної техніки.
Технічна реалізація мікрокомп'ютерних регуляторів потужності забезпечує можливості статичної і динамічної параметричної і структурної оптимізацій параметрів електроенергетики пічного комплексу за швидкодією, стійкістю і якістю.
Розробка такої системи керування в даній дисертації проводиться в напрямку реалізації багатоконтурної структури нелінійного типу на основі сучасних, високодинамічних електроприводів з фільтросиметруючими тиристорними компенсаційними пристроями. Подібні системи забезпечують статичну динамічну оптимізацію алгоритмів і структур керування енергоспоживанням і мають енергозберігаючу спрямованість. У даному випадку в дисертації проектування динаміки енергопретворення електротехнічного пічного комплексу проводиться на результатах математичного моделювання динаміки процесів електротехнологічного контуру печі і її теплотехнічного тракту.
На підставі вищевикладеного сформульовані мета і задачі досліджень.
У другому розділі на основі аналізу динамічних параметрів навантаження електротехнічного комплексу проводиться синтез алгоритмів динамічної ідентифікації процесів керування в потужних дугових печах за вектор- компонентами координат у площині руху графітованого електрода:
;,
; ; (1)
де [F] – квадратна матриця системи розміру nn; [Qi]– матриця розміру np, що характеризує зміну подачі енергетичних матеріалів: Q1 - електроенергії, Q2 - шихти, Q3 - природного газу, Q4 – кисню і таке інше (відповідно до технології плавлення конкретної марки сталі); - вектор керуючих впливів і координат зворотних зв'язків; P[J] - оператор Лапласа у формі перетворення Ефроса; [Фk,k-1] - перехідна матриця стану, визначена через операторе за Лапласом рівняння виду:;t-t0=tk-tk-1=Tk;
Модель руху системи в межах робочої точки режиму електросталеплавлення з урахуванням кореляційних характеристик представляється моделлю
, (2)
де - матриця переходу.
Оцінювання динамічного статистичного критерію оптимальності алгоритмів керування режимом енергоперетворення проводиться моделлю
; . (3)
Структурна схема операцій вагового інтегрування на основі лінійного фільтра для реалізації (3) показана на рис.2. На основі кореляційної функції К()=D0exp(-б/ф), ?кій відповідає спектральна щільність , проводиться динамічна корекція параметрів нормованих значень статистичних характеристик процесів прямого цифрового керування (рис.3 – рис.5)
Рис. 2. Операція вагового інтегрування на основі лінійного фільтра. Схема структурна: РП – рішаючий пристрій; S(t)=1=const; K(?,ф) – ?ореляційна функція.
Рис. 3. Залежність X від часу спостереження (інтервалу кореляції).
Рис. 4. Залежність нормованої дисперсії оцінок математичного очікування D(m)/Do від інтервалу кореляції; ? – відношення інтервалу кореляції до постійної часу фільтра D(m)/Do=?/(1+ л)
Рис.5. Залежність відносного збільшення дисперсії від середньої оцінки X=[D(m*)-D(m)]/D(m), при різному числі реалізацій.
У третьому розділі приведено теоретичне обґрунтування методології аналітичного моделювання і проведене математичне проектування параметрів енергозберігаючої системи взаємоз’вязкового керування координат електротехнічного комплексу сталеплавлення на основі розробленої моделі експертної системи керування електросталеплавленням (рис.6).
Рис.6. Векторно-матрична модель експертної системи керування електросталеплавленням. Схема структурно-алгоритмічна: - вектори завдання переміщення електрода, – вектор плавлення; матриці: [Фi] - регуляторів, [Фk] - потоків енергетичних матеріалів, [ФП] - процесів плавлення, [ФW] - контролю параметрів електротехнічної частини, [ФМП] - параметрів плавлення, [ФРУ] - директивних матеріалів, [ФО] - вимірювання електричних параметрів дуги.
Динаміка нестаціонарної системи (рис.6) у векторно–матричній формі описується системою
, (4)
де - вектор стану системи розміру nl; - вектор збурення розміру pl; - вектор керування розміру rl; [F(t)] - матриця розміру nn; [Qi(t)] - матриця розміру np; [ФРУ(t)] - матриця обмежень розміру nr.
Оптимальна структура вимірника змінного математичного очікування сигналу керування приведена на рис.7. Такий вимірник реалізується на основі адаптивного фільтра каналу затримки (рис.8).
Рис.7. Оптимальний вимірник змінного маточікування сигналу. Схема структурна.
Рис. 8. Адаптивний фільтр каналу затримки ?=dTn (d – ціле число) для некорельованих вибірок.
Чисельні параметри системи (рис.7, рис.8) визначаються залежністю дисперсії оцінок математичного чекання від числа реалізацій (рис. 9).
Синтез регулюючої підсистеми проводиться на основі структури вимірника ідентифікатора змінної дисперсії (рис.10). Корекція передатних коефіцієнтів здійснюється на основі залежності варіації дисперсії коефіцієнта передачі каналу керування (рис.11).
На підставі моделей оптимального дисперсного фільтра і вищевказаних характеристик (рис.9, рис.11) розроблена структура ідентифікатора - вимірника щільності імовірностей реалізації сигналу керування в реальному масштабі часу (рис. 12).
Рис. 9. Залежність відносини дисперсії оцінок маточікування від числа реалізацій n.
Рис. 10. Вимірник змінної дисперсії D(t). Схема структурна: Г - генератор; КВ - квадратор.
Рис. 11. Залежність зміни дисперсії від випадкових змін коефіцієнта передачі каналу керування.
Рис.12. Цифровий блок обчислення командного сигналу. Схема структурна: УОИ - пристрій відображення інформації; ДСИ - датчик випадкових чисел; ПЗУ - ПЗУ завдання координат; СУК - система керування регулятора потужності.
У четвертому розділі проводиться розробка алгоритмів і моделей динамічного функціонування електромеханічної прецизійної системи регулятора потужності взаємопов’язаної системи регулювання координат електротехнічного комплексу електросталеплавлення.
Електромеханічна система регулятора потужності при визначенні параметрів системи на основі аналізу конструктивних особливостей регуляторів серії АРДМТ, СПО-4, СПУ-7222, РММ-9522, РМА-7286, РМДМ-7660 і ін. представляється системою векторно–матричних рівнянь
;;
; (5)
де - вектор переміщень r-го суперелемента; , - матриці маси і твердості порядку nrЧnr; - вектор узагальнених переміщень розчленованої системи розмірністю N?N;
При синтезі форм коливань електромеханічної системи регулятора потужності дугової печі за (5) розглядається структура системи, розділеної на підсистеми: гнучка водоохолоджувальна частина, рухомі і нерухомі "башмаки", трубошини, електродотримач, електродна система, кожна з яких представляється у вигляді суперелементів. Повна векторно-матрична модель має вигляд
; ; . (6)
У п'ятому розділі приведені результати математичного проектування енергозберігаючої системи взаємопов’язаного регулювання координат електротехнічного комплексу. Основною нормативною вимогою для системи регулювання потужності серій СПУ і СТУ (з електронними регулюючими компонентами), РММ, РМДМ, РМА (з мікропроцесорною інформаційно- регулюючою частиною) є вимога мінімального часу реагування на зміну параметра регулювання (близько 0,3с) із заданою зоною нечутливості і нормативного часу переміщення електродів на задану величину при експлуатаційному короткому замиканні й обриві дуги. Основною задачею є розробка алгоритмічної структури системи регулювання координат електрокомплекса дугової печі, оптимальної в сенсі енергозбереження на базі керованої і такої, що спостерігається багатозв’язкової електромеханічної системи з мікрокомп'ютерною сенсорною підсистемою регулювання електричної потужності за каналами автоматичного регулювання напруги і струму пічного трансформатора.
Об'єкт регулювання (ДСП) має r векторів та і виходів і у загальному випадку описується векторно-матричним диференціальним рівнянням вигляду:
; ;Pi>1;i=1,2,…,r;
; (7)
;
де– вектор енергетичної ефективності і енерготехнічного тракту, квт/год “придатного”; – n-мірний вектор енергетичних потоків, що визначає енергетичний стан ДСП у момент часу t; – r-мірний вектор керування; – матриця параметрів керування енергетичними потоками; – nЧr-матриця параметрів системи керування; – фундаментальна матриця рівнянь об'єкта (ДСП); - матриця вагових функцій ДСП розміром mЧr.
Для реалізації (7) необхідна система виміру параметрів кореляційної характеристики в реальному масштабі часу (рис.13). Структура розв’язуючого пристрою відпрацьовування сигналів зворотних зв'язків по напрузі трансформатора і току дуги приведена на рис.14.
Рис.13. Корелометр багатоканального рівнобіжного типу. Схема структурна.
Рис.14. Розв’язуючий пристрій відпрацьовування сигналів зворотних зв'язків по напрузі трансформатора і струму дуги: РУ– пристрій розв’язуючий; ОС – зворотні зв'язки (датчики): ?(ф) – ?оложення РПН (по напрузі), Н(А)– по струму дуги.
Параметри залежностей СКВ математичного очікування сигналу регулювання від ефективної ширини спектра q2 і залежність СКВ величини сигналу регулятора при експлуатаційному короткому замиканні й обриву дуги приведені на рис.15 - рис.18.
Рис. 15. Залежність СКВ маточікування сигналу регулятора від ефективної ширини сектора q2.
Рис. 16. Залежність СКВ дисперсії сигналу регулятора від ефективної ширини регулятора від ефективної ширини спектра q2.
Рис. 17. Залежність СКВ величини сигналу регулятора при експлуатаційному к.з.
Рис. 18. Залежність СКВ величини сигналу регулятора при обриву дуги.
Система корекції сигналу регулювання при експлуатаційному короткому замиканні й обриву дуги має структуру, показану на рис.19.
Рис. 19. Система корекції сигналу регулятора при експлуатаційному к.з. та обриву дуги: КВ – квадратор.
Шостий розділ присвячений експериментальній перевірці технічної реалізації системи взаємопов’язаного регулювання координат електропічного трансформатора. Підсистема регулювання напруги трансформатора ЕТЦН-32000(35- У73) була реалізована на моделі (рис.20).
Рис. 20. Система регулювання режиму електропічного агрегату. Схема структурна.
Залежність часу аналізу сигналу керування від постійної квантування ?к за цим каналом приведена на рис.21. Дослідження динаміки і реалізація підсистеми регулювання струму дуги (вторинної сторони трансформатора) проводилася на основі мікрокомп'ютерного комплектного електропривода DТ0-D, що має такі основні технічні характеристики: мережа живлення 400В, 40А змінного струму; частота 50/60 Гц; ступінь захисту ІРОО (DІN40050);клас захисту І (VDE0106, частина І).
Рис. 21. Залежність часу аналізу сигналу керування від СКВ відхилення функції X=X/?x.
Лабораторні дослідження проводилися на лабораторному макеті на кафедрі електропривода і автоматизації промислових установок Запорізького національного технічного університету. Модель підсистеми регулювання каналу напруги пічного трансформатора реалізована при проектуванні економайзера печі ДСП –50 – Н2 ВАТ Дніпроспецсталь.
Отримано основні статистичні характеристики електричного режиму електротехнічного комплексу дугової печі ємністю 50 т при плавленні металу за технологією вищого рівня (таблиця 1).
Таблиця 1
№ | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8
U, B | 210 | 215 | 180 | 210 | 273 | 252 | 190 | 235
У таблиці 1 приведені параметри періоду розплавлення (0-90 хв.). Отримані гістограми потужності, напруг, струму, і функції регресії:
P=2,318+0,8507U-0,0729U2+0,0019U3; P=8,8501-0,1838I+0,0022I2;
I=2981,0481-3060,5195P+1243,951P2-246,3617P3+23,7871P4-0,8964P5;
I=-10,8163+16,4203U-1,3281U2+0,0322U3.
U=22,5408-0,315I+0,0029I2;
U=-1,4145+8,1653P+0,6934P2-0,9297P3+0,1598P4-0,0083P5;
Аналогічні характеристики і функції регресії отримані для періодів окислення ( 97-259 хв.), рафінування (260-440 хв.), розкислення (441-695 хв.). Для всіх зазначених параметрів періодів плавлення отримані кореляційні характеристики (рис.22) і кореляційні тривимірні залежності струмів, напруг, потужностей (рис.23).
Рис. 22. Кореляційна площина напруги і потужності з лініями регресії.
Рис.23. Кореляційні тривимірні залежності струму, напруги, потужності.
На підставі отриманих процесів регулювання координат електротехнічного комплексу розробляється концептуальна модель Г. Ганкеля і Дж. Дж. Сильвестра, придатна для синтезу параметрів системи взаємопов’язаного регулювання координат електропічного агрегату широкого діапазону потужностей на основі сучасних електромеханічних систем і промислового мікроконтролера. Зазначені моделі будуються на базі перетворення матричних алгоритмів досяжності і спостережуваності Е. Безу.
На підставі результатів дослідження моделі Ганкеля і Сильвестра отримани такі закони регулювання координат електротехнічного комплексу печі ДСП- 50- Н2:
P=2,6437+0,4808U-0,0126U2-0,0005U3+0,0000187U4;
P=3,0371+0,3213I-0,0099I2 ;
I=2981,0481-3060,5195P+1243,951P2-246,3617P3+23,7871P4-0,8964P5;
U=22,5408-0,315I+0,0029I2+0,00009179I3 ;
U=13,1622+0,7441P-0,0609P2+0,0027P3;
I=32,5466+9,7289lgU.
Даний алгоритм регулювання координат за каналами напруги трансформатора і струму дуги реалізований на промисловому комп’ютері Advanched Computer (Канада).
ВИСНОВКИ
На основі комплексного підходу до рішення задачі інтегрального енергозбереження в електросталеплавленні на основі потужних електротехнічних комплексів дугових сталеплавильних печей з регулюванням напруги трансформатора і струму дуги (на базі мікропроцесорного комплекту DT0-D) вперше отримані такі основні результати:
- розроблені алгоритми прямого цифрового керування на базі промислових контролерів з динамічною корекцією структури регулятора потужності;
- розроблена алгоритмічна структура системи регулювання координат електротехнічного комплексу дугової сталеплавильної печі, оптимальної за енергозбереженням на базі керованої і спостережувальної багатозв’язкової електромеханічної системи регулювання потужності за каналами регулювання напруги трансформатора і струму дуги;
- отриманий алгоритм динамічної корекції параметрів енергетично ефективних електро- і теплотехнологічних процесів перетворення електричної енергії й енергетичних альтернативних ресурсів у теплову енергію плавлення металу;
- створена математична модель оцінювання статистичного критерію оптимальності, що дозволяє провести динамічну оптимізацію параметрів регулювання і реалізувати оптимальну динамічну структуру регулятора потужності за координатами навантаження;
- розроблена математична модель побудови оптимальних оцінок вектора стану системи на основі детермінованих параметрів контуру регулювання напруги пічного трансформатора і стохастичних параметрів контуру струму дуги;
- досягнута економія споживання електричної енергії при тій же потужності, що вводиться в піч за рахунок оптимізації режиму пічного трансформатора і зниження нерегулярних коливань і середнього значення струму дуги у розмірі 2,5%.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Труфанов И.Д., Крисан Ю.А., Мохамад Салах Рихан. Общесистемные параметры динамики механизма регулирования длины дуги дуговых печей // Придніпровський науковий вісник: Технічні науки. – 1998. – №110(177). – С.62-69.
2. Труфанов И.Д., Метельский В.П., Крисан Ю.А., Савельев В.П. Юдовинский В.Б. Разработка методологии математического обеспечения управлениями процессами энергосбережения в электросталеплавлении // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика, Вестник Национального технического университета "ХПИ". – 2001. – №10. – С. 353-357.
3. Труфанов И.Д., Метельский В.П., Богданова Л.Ф, Крисан Ю.А., Ксендзюк Р.С. Динамическая оптимизация режимов работы электросталеплавильных агрегатов в условиях резкопеременных нагрузок // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика, Вестник НТУ "ХПИ", Харьков. – 2002. – выпуск 12, Том 2. – С. 153-157.
4. Мохамад С.Р., Бондаренко В.И., Шитикова Л.В, Крисан Ю.А. Векторно-матричный анализ и синтез параметров электромеханической системы регулятора мощности дуговых металлургических печей // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды Кременчугского гос. Университета, вып. 1/2001 (10), Кременчук, 2001. – С. 83-86.
5. Крисан Ю.А., Ксендзюк Р.С., Левада А.С Математическое проектирование энергосберегающей системы взаимосвязного регулирования координат электросталеплавления // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды Кременчугского гос. Университета, вып. 1/2001 (10), Кременчуг, 2001. – С. 168-176.
6. Труфанов И.Д., Крисан Ю.А., Мохамад Салах Рихан. Системотехнические аспекты реализации энергосберегающих экспертных систем управления электросталеплавлением // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика: Вестник Харьковского государственного политехнического университета, Харьков. – 2000. – вып. 113. – С. 323-330.
7. Труфанов И.Д. Крисан Ю.А. Методологические аспекты анализа и синтеза экспертных систем управления электросталеплавлением в мощных дуговых печах. // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - Запоріжжя: Запорізький державний технічний університет. – 2000. – №1. – С.120-125.
Анотація
Крисан Ю.О. Система взаємопов’язаного регулювання координат електротехнічного комплексу потужних дугових печей. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. – Запорізький національний технічний університет, Запоріжжя, 2004.
На основі комплексного підходу до рішення задачі інтегрального енергозбереження в електросталеплавленні на основі потужних електротехнічних комплексів дугових сталеплавильних печей:
- розроблені алгоритми прямого цифрового керування на базі промислових контролерів з динамічною корекцією структури регулятора потужності;
- отриманий алгоритм динамічної корекції параметрів енергетично ефективних електро- і теплотехнологічних процесів перетворення електричної енергії й енергетичних альтернативних ресурсів у теплову енергію плавлення металу;
- створена математична модель оцінювання статистичного критерію оптимальності, що дозволяє провести динамічну оптимізацію параметрів регулювання і реалізувати оптимальну динамічну структуру регулятора потужності за координатами навантаження;
- розроблена математична модель побудови оптимальних оцінок вектора стану системи на основі детермінованих параметрів контуру регулювання напруги пічного трансформатора і стохастичних параметрів контуру струму дуги;
- досягнута економія споживання електричної енергії при тій же потужності, що вводиться в піч за рахунок оптимізації режиму пічного трансформатора і зниження нерегулярних коливань і середнього значення струму дуги у розмірі 2,5%.
Ключові слова: сталеплавлення, комплекс, система електромеханічна, дуга, регулятор потужності, схема.
АННОТАЦИЯ
Крисан Ю.А. Система взаимосвязанного регулирования координат электротехнического комплекса мощных дуговых печей. - Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. – Запорожский национальный технический университет, Запорожье, 2004.
Диссертация посвящена вопросам разработки системы взаимосвязного регулирования режимов работы электротехнических комплексов и систем электросталеплавильного производства на основе комплексного критерия энергосбережения. Разработаны алгоритм и структура регулирующих частей системы по каналам регулирования трансформатора и тока дуги. Проведены лабораторные и производственные исследования электромеханической системы регулирования мощности печи. Получены энергоэкономические показатели взаимосвязной системы дуговой печи.
Ключевые слова: сталеплавление, комплекс, система електромеханическая, дуга, регулятор мощности, схема.
ABSTRACT
Krisan Y.А. System of the interconnected regulation of coordinates of powerful arc furnaces electrotechnical complex. - Manuscript.
The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.09.03 - electrotechnical complexes and systems. - Zaporozhye national technical university, Zaporozhye, 2004.
The dissertation is devoted to the problem of the system development of the interconnected regulation of electrotechnical complex operational modes and systems of electrical steel melting production on the basis of energy saving complex criteria. Algorithm and structure of the system regulating parts using channels of transformer and arc current have been developed. Laboratory and production investigations of electromechanical system of the furnace capacity regulation have been carried out. Power economic parameters of interconnected system of the arc furnace have been obtained.
Key words: steel melting, complex, electromechanical system, power regulator, circuit.
