Seria: ELEK TR Y K A z. 139 N r kol. 1247
Tadeusz RODACKI Andrzej KANDYBA
TYRYSTOROWE STEROWANIE NAPĘDU PRZESUWU ELEKTROD W PIECACH ŁUKOWYCH
Streszczenie. W artykule om ów iono m ożliw ości zastosow ania układów tyrystorow ych do napędu przesuw u elektrod w piecach lukow ych. O pisano układ tyrystorow y zastosow any w piecu 140 t oraz przedstaw iono sposób analizy takiego układu opierając się na schem acie blokow ym .
THYRISTOR CONTROL OF THE ELECTRODE FEED DRIVE IN THE ARC FURNACE
Sum m ary. T he possibilities o f application o f the electrode feed thyristor drive in the arc furnaces are presented in the paper. T he thyristor system applied in the 140 t furnace has been described. The analysis o f this system has been done using block circuits.
TMPMCTOPHblE YnPABAEHME nPM BO AO M 14 nEllEA BM rO M 3 A EKTPO A B AYrO BO ia nEMU
Pe3iOMe. B paGoïe npeACTaBAeina bo3mo?k HOCTb ncnoAb30BaHna TupucTopHbix cxeM aab npuBOAa u nepeABHra aAeKTpoA. flpeACTaBAFieMan TupucTopHaa cxenta paGoTaeT b AyrosoO neMeMKOCTbio b 140 t. npeACTaBAeH cnocoG aHaAH3a TaKOO cxeMbi Ha ocHOBe CTpyKTypHoO cxeMu.
1 .W S T Ę P
W krajow ym przem yśle do zasilania pieców łukow ych stosow ane są powszechnie klasyczne układy z przełączalnym i zaczepam i transform atora piecow ego, a do napędu i regulacji przesuw u elektrod głów nie układy elektrom aszynow e lub układy elektrohydrauliczne. Sterow anie m ocy łuku w głów nym torze zasilania m oże odbywać się więc jedynie skokow o i w ograniczonym zakresie. Płynne doregulow anie m ocy łuku do żądanych w ym agań osiąga się przez zm ianę położenia elektrod (zm ianę długości łuku).
U kłady napędu i regulacji przesuw u elektrod, nazyw ane potocznie autom atyką łuku, spełniają trzy istotne dla pracy pieca zadania:
- zapew niają pew ny zapłon przez opuszczenie elektrod aż do zetknięcia z wsadem, a następnie ich szybkie podniesienie,
- zapew niają utrzym anie stałej długości łuku w czasie roztapiania wsadu,
- pozw alają na płynną zm ianę m ocy łuku w zależności od w ym agań procesu technologicznego. W ynika stąd oczyw isty wniosek, że w ady tych pow szechnie stosowanych układów , takie jak: długie czasy regulacji i przeregulow ania w stanach przejściowych, strefa nieczułości, problem y eksploatacyjne itp. bardzo niekorzystnie w pływ ają na pracę urządzenia i proces technologiczny. Zastosow anie do tego celu napędów tyrystorow ych m oże znacznie popraw ić w arunki pracy pieca łukowego.
2. ZASADA DZIAŁANIA UKŁADU NAPĘDU I REGULACJI PRZESUWU ELEKTROD
N ajczęściej stosow ane są w tych napędach układy regulacji, w których w ielkością regulow aną je s t stosunek napięcia do prądu łuku, nazyw ane też często też autom atyką prądow o-napięciow ą. Zasadę działania takich układów pokazano na rys. 1.
W układzie porów naw czym dokonyw ana je st analiza sygnałów pochodzących od prądu i napięcia łuku, w w yniku której na w yjściu pojaw ia się sygnał odpow iadający uchybowi regulacji e. Jeśli przew aża czynnik pochodzący od prądu, to elektroda je st podnoszona tak, aby zm niejszyć prąd, jeśli natom iast przew aża czynnik napięciow y, elektroda je st opuszczana pow odując zm niejszenie napięcia, to znaczy, że gdy zachodzi nierówność:
K, h - K , U = e * 0 gdzie K„ Kj - stałe układu,
elem ent w ykonaw czy spow oduje ruch elektrody taki, aby uzyskać e=0. A więc utrzym yw ana będzie stała w artość stosunku:
R y s.l. Zasada działania autom atyki luku.
U PP- człon pom iarow o-porów naw czy, W - wzmacniacz, EW - elem ent w ykonaw czy
Fig. 1. A utom atic control o f the arc U PP - m easurem ent control unit W - am plifier
EW - Ftnal control elem ent
3. TYRYSTOROWY UKŁAD NAPĘDU I REGULACJI PRZESUWU ELEKTROD
O pisaną w poprzednim punkcie zasadę działania autom atyki łuku m ożna zrealizow ać stosując napędy tyrystorow e w yposażone w elektroniczne układy regulacji. U proszczony schem at ideow y takiego rozw iązania dla pieca 140 t przedstaw ia rys. 2. Piec łukow y w yposażony je st w trzy elektrody o średnicy 610 mm , do których toram i w ielkoprądow ym i doprow adzone je s t napięcie z transform atora piecowego. Ruch każdej elektrody realizow any je st osobno poprzez naw ijanie lub odw ijanie liny ze zw ijaka bębnow ego napędzanego przez przekładnie silnikiem obcow zbudnym prądu stałego (całkow ite przełożenie kr= l,5 obr/m in).
K I, K,u
const
Silnik prądu stałego o danych P=38 kW , U =220 V, n=1500 obr/m in zasilany je st z naw rotnego m ostka tyrystorow ego bez prądów w yrów naw czych w łączonego do sieci poprzez transform ator trójfazow y o danych Sn =63 kV A, U =380/220 V, U z =11% .
Rys.2. U proszczony schem at ideow y tyrystorow ego układu napędu i regulacji przesuw u elektrod
Fig.2. Sim plified chem atic diagram o f the thyristor drive and control system o f the electrode feed
N awrotny prostow nik tyrystorow y je s t rozw iązaniem standardow ym i posiada następujące zabezpieczenia: U kłady RC po stronie prądu stałego, zmiennego oraz w gałęziach tyrystorów, bezpieczniki po stronie prądu zm iennego oraz w yłącznik szybki po stronie prądu stałego i term istory chroniące tyrystory przed przekroczeniem dopuszczalnej tem peratury pracy.
Sygnał proporcjonalny do do prądu łuku otrzym yw any je st z toru w ielkoprądow ego za pom ocą przekładnika prądow ego Pp i prostow any w prostow niku P| obciążonym rezystancjam i Ri i R |. Sygnał proporcjonalny do napięcia łuku z transform atora jest prostow any w prostow niku Pu obciążonym rezystancjam i R3 i R». Rezystancje obciążenia
prostow ników pom iarow ych Pj i Pu pozw alają odpow iednio dobrać w artości sygnałów proporcjonalnych do prądu i napięcia. W zm acniacz A 2 pracuje jak o inw erter, którego w zm ocnienie określa stosunek rezystancji R u do R22. Porów nanie sygnałów w edług zależności:
kjl - kuU,
dokonyw ane je st na w ejściu w zm acniacza A l, który jednocześnie całkuje tę różnicę ze stałą całkow ania określoną w artością rezystancji R7 i kondensatora C7.
W zm acniacz A3 zapew nia m ożliw ość skokow ej zm iany w zm ocnienia, przy czym w ielkość napięcia odcięcia ustala się rezystancjam i Rio i Ru- U m ożliw ia to pracę układu z dużym w zm ocnieniem w czasie stabilnego płonięcia luku, kiedy zm iany pozycji elektrod są niew ielkie. Przy dużych zakłóceniach, np. przy rozruchu pieca, w zm acniacz A3 w chodzi w nasycenie i w zm ocnienie m aleje. Sygnał ze w zm acniacza A3 podaw any je st na typow y układ regulacji prędkości obrotow ej silnika prądu stałego w postaci szeregow ego połączenia regulatorów prędkości i prądu. R egulator prędkości oparty je st na w zm acniaczu A4 i m oże posiadać strukturę PI lub P po zw arciu kondensatora C i6. W zm ocnienie regulatora m oże być zm ieniane płynnie potencjom etrem R u , istnieje też m ożliw ość skokow ej zm iany stałej całkow ania. Regulator prądu zaw sze m a strukturę typu PI, gdzie stała czasow a całkow ania określona je st przez rezystancję R2o i kondensator C20, a w zm ocnienie m ożna zm ieniać potencjom etrem R2t. Rzeczyw ista prędkość m ierzona je s t przez tachoprądnicę TG, a rzeczyw isty prąd za pom ocą bocznika (Rb = 0,5 W ). Sygnał z regulatora prądu podaw any jest do układu sterow ania tyrystorów , który kształtuje im pulsy w yzw alające tyrystory tak, aby zapew nić odpow iedni znak i w artość średnią napięcia zasilającego silnik prądu stałego.
N a rys. 2 zilustrow ano tylko zasadę działania takiego napędu. U kład rzeczyw isty musi dodatkow o zapew niać m ożliw ość sterow ania ręcznego i autom atycznego oraz być w yposażony w obw ody zabezpieczeń, kontroli obecności sprzężeń zw rotnych oraz w system y blokad i ograniczeń zapew niających popraw ne działanie w każdych stanach pracy.
4. ANALIZA PRACY UKŁADU
A naliza właściwości dynam icznych oraz optym alizacja nastaw regulatorów takiego układu m oże być oparta na jeg o schem acie blokow ym przedstaw ionym na rys.3.
Rys.3. Schem at blokow y układu napędu i regulacji przesuwu elektrod Fig.3. Block diagram o f the drive and control system o f the electrode feed
N a rys.3 oznaczono Ge(s) - transm itancja układu porów naw czego i w zm acniacza błędu, Gm(s) - transm itancja regulatora prędkości, G„(s) - transm itancja regulatora prądu, K„ - przekładnia ruchu obrotow ego na ruch posuw isty, Ki - w spółczynnik proporcjonalności prądu i długości luku, Kii - w spółczynnik sprzężenia prądu luku. Pozostałe oznaczenia są typow e dla techniki napędowej. O ptym alny dobór nastaw regulatorów prądu i prędkości obrotowej silnika m ożna przeprow adzić opierając się na kryterium Kesslera. D la regulatora prądu najlepiej zastosować kryterium optim um m odułu, a dla regulatora prędkości kryterium optim um symetrii. Po obliczeniu optym alnych nastaw regulatora prądu i prędkości m ożna w yznaczyć transm itancję całego zam kniętego ju ż zoptym alizow anego układu regulacji prędkości silnika Gra(s) w edług schem atu blokow ego z rys.3. Pozw oli to narysować uproszczony schem at blokow y układu (rys 4) przydatny do analizy w pływ u w zm ocnienia i stałej czasowej całkow ania w zm acniacza błędu Ge(s) oraz do badania dynam iki układu przy różnych zakłóceniach. Badanie m ożna przeprow adzić traktując sygnał napięciow y jak o sygnał wejściowy, tak ja k na rys 4, w tedy sygnał odpow iadający prądow i łuku będzie w ielkością regulowaną w nadrzędnej pętli regulacji.
Rys.4. U proszczony schem at blokow y układu Fig.4. Sim plified błock diagram o f the system
Przedstaw iona powyżej m etoda analizy je s t stosunkow o prosta, ale w ym aga przyjęcia w ielu założeń upraszczających i dlatego obliczone w ten sposób optym alne nastawy regulatorów m ogą w ym agać korekty w układach rzeczyw istych.
5. UWAGI KOŃCOWE I WNIOSKI
Piece łukow e pracujące w przem yśle w przew ażającej w iększości w yposażone są w przestarzałe układy napędu i regulacji przesuw u elektrod: elektrom echaniczne z am plidyną lub elektrohydrauliczne. Pociąga to za sobą szereg problem ów zw iązanych z optym alizacją pracy pieców i kłopoty eksploatacyjne. W chw ili obecnej układy tyrystorow e m ogłyby być do tego celu pow szechnie stosowane. N ie m a tutaj żadnych przeszkód technicznych. Analiza porów naw cza w ykazała ich zdecydow aną przew agę nad układam i tradycyjnym i szczególnie pod w zględem w łasności dynam icznych. Czas regulacji w układzie tyrystorow ym jest kilka razy krótszy niż w układzie elektrohydraulicznym i kilkanaście razy krótszy niż w układzie am plidynow ym .
Przeregulow ania przy odpow iedzi na skokow y przyrost sygnału zadającego są dla układu tyrystorow ego ponad dw a razy m niejsze niż w układzie elektrohydraulicznym i około półtora razy m niejsze niż w układzie am plidynow ym . R ów nież inne param etry, takie jak: sprawność, gabaryty, ciężar, koszty eksploatacji są zdecydow anie korzystniejsze dla układów tyrystorow ych. Jedyną w adą opisyw anego układu je s t obecność silnika prądu stałego pracującego w trudnych w arunkach (w ysoka tem peratura otoczenia, duże zapylenie). Dlatego też należałoby rozw ażyć możliw ość zastosow ania w tych napędach silników asynchro
nicznych klatkowych zasilanych z tranzystorow ych falow ników napięcia.
Kl f
LITERATURA
1. K urbiel A.: Elektroterm iczne urządzenia łukowe. W NT, W arszaw a 1988.
2. D TR U kład napędu i regulacji przesuw u elektrod pieca łukow ego 140 t.
Recenzent: P rof.dr hab.inż. Czesław Sajdak
W płynęło do Redakcji 10 listopada 1993
Abstract
In the Polish industry there supply system s w ith tap - changed furnace transform ers are applied. D rive and control o f the electrode feed are realized w ith electric machines and hydraulic system s usually. T herefore pow er control is limited and can be perform ed gradually, only.
A utom atic control o f the arc is based on control o f the voltage to current ratio in the main supplying line. T his m ethod can be applied in thyristor drives and electronic control system o f the electrode feed. Schem atic diagram o f such system there is presented on fig.2. Presented system has been applied in 1 4 0 1 furnace. Fig.3 presents a block diagram o f the electrode feed drive and o f the control system. D ynamic properties o f the thyristor system s are better then the properties o f the hydraulic system s and system s w ith electric m achines only. Setting time is several tim es shorter in thyristor system s than in the hydraulic systems. O ther param eters as: efficiency, dim ensions, opereting costs are better in thyristor systems, too. There are no technical obstacles to apply thyristor system s w idely, now.
