Способ определения индуктивностей и вольт-амперных характеристик нелинейных активных сопротивлений подэлектродных областей многофазной электропечи

 

Изобретение касается автоматического контроля и управления электрическими режимами работы электропечей и может быть использовано для определения параметров цепей подэлектродных областей многофазных электропечей переменного тока, используемых в черной и цветной металлургии и химической промышленности. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей определения индуктивностейи вольт-амперных характеристик нелинейных активных сопротивлений подэлектродных областей многофазной электропечи. Формирует сигналы, пропорциональные степенным функциям тока электрода i(t) каждой фазы i(t}- I2(t), I3(t), ..., im(t), выделяют гармонические составляющие этих сигналов и сигналов напряжения на участке электрод - подина, определяют величину индуктивности L и коэффициенты П, I 1т. степенного ряда UR(T.) ni + + ... + rm 1т, представляющего вольтамперную характеристику нелинейного сопротивления подэлёктродной области каждой из фаз многофазной электропечи. 2 ил. с/ С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ, ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4870785/21 (22) 02.10.90 (46) 23.08.92. Бюл. М 31 (71) Тульский политехнический институт (72) Н.Г,Тупиков, А.В.Лукашенков, А,А.Фо. мичев и А.M.ØààðåB (56) Авторское свидетельство СССР

- N. 851284, кл. G 01 R 27/2б, 1979, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНДУКТИВНОСТЕЙ И ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЛИНЕЙНЫХ АКТИВНЫХ

СОПРОТИ ВЛ ЕНИЙ . ПОДЭЛ ЕКТРОДНЫХ

ОБЛАСТЕЙ МНОГОФАЗНОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ (57) Изобретение касается автоматического контроля и управления электрическими режимами работы электропечей и может быть использовано для определения параметров цепей подэлектродных областей многофазных электропечей переменного тока, исИзобретение относится к способам и технике определения параметров цепей подэлектродных областей многофазных электропечей и может найти широкое при1 менение при создании систем автоматического контроля и управления электрическим режимом работы электропечей.

Известны способы измерения сойротивлений в многофазных электрических системах, основанные на измерении гармонических составляющих токов и напряжений в электрической цепи.

SU 1756836 А1 (Я)5 G 01 R 27/26, Н05 В 7/148, F 27 0 21/00 2 пользуемых в черной и цветной металлургии и химической промышленности, Цель изобретения — расширение функциональных возможностей определения индуктивностей и вольт-амперных характеристик нелинейных активных .сопротивлений подэлектродных областей многофазной электропечи. Формируют сигналы, пропорциональные степенным функциям тока электрода l(t) каждой фазы i(t)- i (t), l (t), ..., l (t), выделяют гармонические составляющие этих сигналов и сигналов напряжения на участке электрод -". подина, определяют величину индуктивности L. и коэффициенты гь! = 1, ..., m, степенного ряда UR(t) = г11 + vzi

+ +гз1 + ... + rm i, представляющего вольт3 .. m амперную характеристику нелинейного сопротивления подэлектродной области каждой из фаз многофазной электропечи. 2 ил. м бд

Наиболее близким к предлагаемому От изобретению яввяется способ, реализованный и в устройстве доя измерения пойиык ге рмонических сопротивлений в многофазных электрических системах с нелинейными и несимметричными нагрузками и основанный на спектральном анализе кривых оков и напряжений в исследуемой цепи;

Основным недостатком известного способа является многоступенчатость процесса измерения сопротивлений, невозможность определения вольт-ампер1756836 ных характеристик нелинейных активных сопротивлений и индуктивностей цепи, необходимость включения в систему измерений двух взаимно ортогональных в-фазных систем напряжений, что усложняет реализа- 5 цию, Цель изобретения — расширейие функциональных возможностей путем определения индуктивностей и вольт-амперных характеристик нелинейных активных сопро- 10 тивлений подэлектродных областей. многофазной электройечи.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения электрических параметров, при котором измеряют мгно- 15 венные значения токов электрода l(t) и напряжения U(t) на участке цепи электрод— падина каждой из.фаз, формируют сигналы, пропорциональные степенным функциям тока электроуов каждой фазы

l(t), i (t), В (с), ..., 4 (t), 20 выделяют гармонические составляющие этих сигналов и .сигналов напряжения U(t) на участке электрод — подина каждой фазы и гю этим выделенным гармоййческим составляющим сигналов степенных функций 25 тока электрода и сигнала напряжения на участке электрод — йодина определяют величину индуктивности и коэффициенты г, 1= 1,,;;, m," степенногозояда

UR(t) = i>l + rzi + гз + ... + rml, 30 представляюфето вольт-амперную характе- . ристи ку нелинейного сопротивления подэлектродной .области каждой из фаз электропечи.

Определейие электрических" парамет- 35

pQB подэлектродных.областей многофазных электропечей является задачей, требующей решения во многих практических случаях, в частности при построении автоматизированных систем управления и контроля, которые позволяют достигнуть увеличения производительности печей, степени извлечения целевого продукта и снйзить матери. альные и энергетические затраты, Модель электрического режима электропечи занимает одно из важнейших мест в более об--: щей модели технологического процесса, поскольку она определяет не только взаимосвязь между токами и напряжениями в электрической цепи; распределение энер50 гии в зонах печи, но и отражает характер протекания технологического процесса, влияние технологических параметров на через нее"электрического тока, Поскольку исходные шихтовые материалы, промежуэлектрические. Технологический процесс в печи реализуется за счет тепловой. энергии, 55 выделяемой в подэлектродной области, со- . держащей исходное сырье, при протекании точные и конечные продукты реакции образуют проводящую среду, на сопротивлении которой электрическая энергия преобразу- ется в тепловую, то любые изменения техноtlîãè÷åñêoãî режима приводят к изменению, свойств реакционной зоны как проводящей среды и к изменению эквивалентных электрических параметров и характеристик цепи протекания тока в электропечи. Электрические параметры цепей, актйвные и реактивные сопротивления, а также напряжения на них недоступны для непосредственного измерения, Внешним проявлением электрических свойств цепей печи являются временные функции токов и напряжений на электродах, через которые осуществляется подвод электрической энергии. Форма токов и напряжений на электродах электропечи отличается от гармонической, что обусловлено нелинейностью электрических цепей электропечи. Существующая в подэлектродной области электрическая дуга имеет нелинейную вольт-амперную характеристику и приводит к возникновению высших гармоник в токе и напряжении.

Наиболее полной характеристикой нелинейности в электрической цепи является ее вольт-амперная характеристика. Наличие высших гармоник в токе и напряжении дает .принципиальную возможность о пределения параметров линейных и вольт-амперных характеристик нелинейных элементов электрических цепей электропечи.

На фиг,1 дана схемная модель трехфазной цепи электропечи, широко применяемая для анализа электрического и эйергетического режимов электропечей; на фиг.2 — устройство для реализации способа.

Схема замещения (фиг.1) состоит из трех однофазных цепей, соответствующих электродам печи и образующих соединение звездой. Внешние выводы 1-3 соответству.ют точкам подключения токоподводов короткой сети к электродам. Цепь каждой фазы представлена в виде последовательного соединения линейной индуктивности

4 и эквивалентного нелинейного активного, сопротивления Rz(iq), q = 1,2,3. Индуктивность представляет собой эквивалентную индуктивность электродов, ванны и взаимной индуктйвности между электродами, Активное нелинейное сопротивление складывается из сопротивления подэлект-. родной эоны, ванны, расплава и электрода.

Все три фазы электропечи представлены одинаковыми по структуре схемами замещения, которые имеют свои параметры и характеристики элементов. Поскольку в подэлектродной зоне может существовать электрическая дуга, то в общем случае со1756836

1С 2С

92 " Ъ"

13 т ... т

2С 2С

re -.-. Х

23 т2 * < с1

1С 11 91

2С

I%1

1С

ЪР

1с

2С

Ъ1Р

23

Ч Р

2с

Ъ й) 10

15 ),2

1ПС

Р1

153 . 91 тс

Ъ

ttl 3

U(Xm :... т с

qm М ttt3 х ...т

30.5 противление каждой фазы является нелинейным. Степень нелинейности зависит от режима работы печи. Так, при отсутствии электрической дуги в подэлектродйой зоне это сопротивление будут линейным; Задача определения параметров рассматриваемой схемы модели электропечи состоит в определении вольт-амперных характеристик эквивалентных нелинейных сопротивлений фаз URq (/)q (lq) и линейных индуктивностей

Lq, q = 1,2,3, на основе измерения токов электродов и напряжений на участке электрод —,подина цепи.

При измерении мгновенных значений рабочих токов электродов 11(), 12(t), 1з(т} и мгновенных значений напряжений на электродах относительно подины Оф), О2(1), Uz(t) определение параметров схемы замещения каждой фазы может выполняться независимо от других. Схемная модель одйой 20 фазы описывается нелинейным дифферен. циальным уравнением 41 — ф +щ (tt)Uq(t).tt-t,2,3. (1) Вольт-амперные характеристики нели- 25 нейных сопротивлений предполагаются однозначными, что дает возможность представлять их отрезками степенных рядов

m фч(ч) = Х f qKIqK q =12 3, (2) к=1 где rqK — неизвестные, подлежащие опреде- 35 ленйю кОэффициенты степенных рядов, представляющих вольт-амперные характеристики нелинейных сопротивлений;

lq. — степенные функции мгновенных

К значений рабочих токов. - - - 40

При условии (2) дифференциальное уравнение (1) примет вид

: Неизвестные параметры фазы: индуктивность 4 и коэффициенты степенного ряда (2) rqK. к = 1, .... m, представляющего вольт-амперную характеристику нелиней- 50 ного сопротивления, входят в уравнение (3} линейно. Измеряемые сигналы раббчего тока Iq(t) и напряжения Оц(т), а также сигналы производной тока diq(t)/dt и степенных функций тока lq (t) являются периодическими 55 функциями, времени, ограниченными по амплитуде, и удовлетворяют условиям Дирихле. Это дает возможность разложится их в ряд Фурье и представить уравнение фазы

6 (3) относительно амплитуд гармонических составляющих этих сигналов:

rpe lqK", IqK", К = 1, ..., m — амплитуды косийусоидальной и сийусоидальной составляющих и-й гармоники степенных функций тока;

lq (t}, lqpn, Iqpns ПРОИЗВОДНОЙ ТОКа

diq(t)/dt;

Uq", Uq" — напряжения Uq(t), Составляющие и-й гармоники производной тока выражаются через составляющие тока:

nc> I ns 1 ns „ 1 ns

qp q qp q>

Полученная система (4) является системой линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных параметров Lq, гяк. Каждая гармонйче2ская составляющая вносит в систему по два уравнения: для косинусоидальной и синусоидальной составляющих, Для формирования матрицы коэффициентов и вектора правой части системы (4} необходимо измерение косинусоидальных и синусбйдальных составляющих гармоник тока lq(t} и его степенных функций

lq"(t). а также напряжения Uq(t). Практически такие измерения производятся с помощью синхронного анализатора гармонических составляющих. Система (4) имеет решение относительно (m+1) неизвестных параметров цепи: m коэффициентов степенного ряда г к, -представляющего вольт-амперную характеристику йелинейного сопротивления, и величины индуктивности Lq. Для практического решения системы (4) относительно (m+1) неизвестных параметров ее можно Ограничить таким же числом уравнений. При этом достаточно измерение параметров гармоник, количество которых равно числу неизвестных коэффициентов степенного ряда, и включение в сйстему двух уравнений для первой гармоники и по одному для последующих. Решение системы (4} на микроЭВМ не представляет сложностей.

Таким образом, решается задача определе-: ния параметров схемы замещения каждой фазы. В результате получают для каждой фазы значение индуктивности Lq и, выра1756836

,ния параметров схемы замещения каждой щего нелинейную вольт-амперную характефазы, В результате получают для каждой ристику нелинейного сопротивления подфазы зйачение индуктивности Lq и выраже- электродной области;

2 3 m ние вольт -амперной характеристики экви- - . 0я(!) = г !+ г2! + гз! + ... + г!, валентного нелинейного сопротивления, 5 Технически нелинейные преобразовапредставленной степенным рядом (2), что тели 3 — К могут быть реализованы на основе дает возможность проводить расчет элект- ст!ндартных перемножителей сигналов, нарическогоиэнергетическогорежимовиана- пример, на интегральной микросхеме лиз технологического режима, При анализе К525ПС2. Анализаторы 5-и гармоник предэйергетического режима по первой гармо- 10 ставляют собой активные фильтры, настронике полученные вольт-амперные характе- енные на частоты соответствующих ристики нелинейных сопротивлений: гармоник. Вычислительноеустройство8мопозволяют рассчитать их "активные и реак- жет быть как аналогового, так и цифрового тивные сопротивления по первой гармони- типа. ке. При отсутствии нелинейности в цепи 15 Таким образом;предлагаемое способ и получают решение для частного случая — устройство для его реализации позволяют определение параметров линейной йндук- непосредственно в процессе технологичетивности и линейного сопротивления"в каж- ского процесса определять индуктивности и дой фазе. - вольт-амперные характеристики нелинейустройство для реализации дайного 20 ных активных сопротивлейий подэлектрод Способа для каждой из фаз {фиг.2) состоит ных областей многофазной электропечи. из датчика 1 тока, датчика 2 напряжения, Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я нелинейных преобразователей З-К, анали- Способ определения индуктивностей и заторов 5 — и гармоник и вычислительного вольт-амперных характеристик нелинейных устройства 9. 25 активных сопротивлений подэлектродных

Устройство работает следующим обра- областей многофазной электропечи; при KQтором измеряют мгновенные значения тока

Сигнал l(t) с датчика 1 тока поступает на электрода i(t) и напряжения U(t) на участке нелинейные преобразователи 3; 4, ..., К, ко- цепи электрод- подина каждой из фаз электорые осуществляют операцию возведения ЗО тропечи, отличающийся тем, что, с соответственно во вторую, третью и так да- целью расширения функциональных возлее в m-ю степень сигнала l(t). В результате можностей путем определения индуктивно- на выходе преобразователя 4 получЭЮт Сиг- стЕй и вольт-ампЕрнЫХ хаРактеристик нал, пропорциональный квадрату тока l (t), нелинейных активных сопротивлений пода на выхо) е преобразователя К " сигнал, 35 электродных областей многофазной электйропорциональный п1-й степени тока i (t). ропечи, формируют, сигналы, Сигналы с нелинейных преобразоввтелеи пропорциональные степенным функциям

2 3 ,3 — К (l (t)...-l (t)), а также сигналы непосред- тока электрода каждой фазы i(t), i (t), i (с), ..., .ственно с датчика 1 тока i(t) и с датчика 2 i (t), выделя1от гармойические составляю йапряжения U(t) поступают на анализаторы 40 щие этих сигналов напряжений U(t) на уча5 — ri гармоник, с помо Кью которь1х веделя-: стке цепи электрод — подина каждой фазы и ют "амплитуды первой, второй-и так далее .. по этим выделенным гармоническим com-й гармонических составляющих этих сиг- ставляющим сигналов степенных функций налов. Полученные амплитуды m г. рмони- - тока электрода и сигнала напряжения на чеcêèõ составляющих этих сигналов 45 участке электрод — подина каждой фазы оп,пост йают нЬ вычислительное устройство 9, ределяют величину индуктивности и коэф в котором на оснбвайии измеренных га >мо- фициенты гь i =1,.„, m, степенного ряда Оя(!)

2 3 m : нических составляющих напряжения U(t), = г)!+ г2! + гз! + ". + rmi, представляющего тока l(t), квадрата тока i (t) и так далее i (t) в вольт-амперную характеристику нелинеисоответствйи с уравнением(4) определяется 50 ного сопротивления подэлектродной облавелйчйна индуктивности L и коэффициенты сти каждой иэ фаз многофазной степенного рФда г1, г2, ... и г,1, представляю- электропечи.

1756836

Фиг. л

Составитель H.Òóïèêîâ

Техред М.Морген1ал

Корректор Л.Ливринц

Редактор Е;Папп

Заказ 3086 Тираж, Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарийа, 101