СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ СОСТОЯНИЕ ПОДЭЛЕКТРОДНЫХ ПРОСТРАНСТВ ВАННЫ ТРЕХФАЗНОЙ ШЕСТИЭЛЕКТРОДНОЙ РУДНО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ С РАСПОЛОЖЕНИЕМ ЭЛЕКТРОДОВ В ЛИНИЮ Российский патент 2016 года по МПК H05B7/144 

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано для контроля электрических параметров, характеризующих состояние подэлектродных объемов ванны трехфазной рудно-термической печи с шестью электродами, расположенными в линию, пары соседних из которых подключены с помощью токоподвода к вторичным обмоткам печных трансформаторов.

Известен способ определения электрических параметров ванны рудно-термической электрической печи, при котором изменяют межэлектродные напряжения так, что одно из напряжений участка «электрод - подина» остается неизменным, и по изменениям токов электродов вычисляют проводимость межэлектродного пространства [1].

Недостатком известного способа является то, что при его осуществлении, хотя и кратковременно, нарушается нормальный режим работы печи.

Также известны способы для непрерывного контроля электрических параметров ванны, таких как проводимость подэлектродного пространства ванны трехфазной рудно-термической печи, сопротивление между электродом и подиной трехфазной рудно-термической печи, разностно-потенциальные коэффициенты схемы замещения ванны, не нарушающие нормальный режим работы печи. Эти способы предполагают использование измерительных источников с частотой тока, отличной от частоты тока силового источника питания [2, 3, 4, 5].

Наиболее близким к заявляемому способу является способ определения электрического параметра, характеризующего состояние подэлектродного пространства трехфазной трехэлектродной рудно-термической печи, в качестве которого используется собственный разностно-потенциальный коэффициент (РПК) схемы замещения ванны, в соответствии с которым последовательно к каждому электроду подключают управляемый источник питания измеряющей частоты, отличной от рабочей частоты источника питания печи, оставляют неизменными амплитуды и фазу ЭДС источника питания измеряющей частоты электрода, для которого определяют собственный РПК ванны, изменяют амплитуды и фазы ЭДС источников измеряющей частоты двух других электродов так, чтобы сумма действующих значений токов измеряющей частоты в них была равна нулю, измеряют ток, активную мощность, выделяющуюся на участке «электрод - подина» на измеряющей частоте этого электрода, и вычисляют собственный РПК участка ванны «электрод - подина».

Недостатками известного способа является невозможность его осуществления в трехфазной рудно-термической печи с шестью электродами, расположенными в линию, пары соседних из которых подключены с помощью токоподвода к вторичным обмоткам печных трансформаторов, из-за отсутствия нулевой точки, объединяющей вторичные обмотки печных трансформаторов.

Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение возможностей определения разностно-потенциальных коэффициентов ванны, характеризующих состояние подэлектродных пространств ванны трехфазной рудно-термической печи с шестью электродами, расположенными в линию, пары соседних из которых подключены с помощью токоподвода к вторичным обмоткам печных трансформаторов.

Этот результат достигается тем, что в заявляемом способе определения электрических параметров, характеризующих состояние подэлектродных пространств ванны трехфазной рудно-термической печи с шестью электродами, расположенными в линию, пары соседних из которых подключены с помощью токоподвода к вторичным обмоткам печных трансформаторов, к электрической цепи печи подключают два фильтра, прозрачные для тока измерительной частоты и непрозрачные для тока рабочей частоты, выводы каждого из которых присоединяют к соседним электродам, принадлежащим разным фазам печных трансформаторов, последовательно к каждому электроду подключают управляемый источник питания измеряющей частоты, отличной от рабочей частоты источника питания печи, для каждой из трех комбинаций, состоящей из двух электродов «электрод - электрод, расположенный через два электрода», оставляют неизменными амплитуды и фазы ЭДС их источников питания измеряющей частоты такими, что фазы их ЭДС отличаются друг от друга на 180 электрических градусов, изменяют амплитуды и фазы ЭДС источников измеряющей частоты остальных электродов так, чтобы действующее значения токов измеряющей частоты в них стали равными нулю, измеряют ток в цепи попарно выбранных электродов, активные мощности, выделяющиеся на участках «электрод - подина» выбранной комбинации на измеряющей частоте, и вычисляют собственные разностно-потенциальные коэффициенты схемы замещения ванны в соответствии с выражениями

где I_1и, I_2и, I_3и, P_1и, Р_2и, Р_3и, Р_4и, P_5и, Р_6и - величины токов в первичной цепи источника питания измеряющей частоты электродов в комбинациях пар «электрод - электрод, расположенный через два электрода» и активные мощности, выделяющиеся на участках «электрод - подина» соответствующих комбинаций электродов; w_т - количество витков первичной обмотки вводного устройства.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ определения электрических параметров, характеризующих состояние подэлектродных пространств ванны трехфазной рудно-термической печи с шестью электродами, расположенными в линию, пары соседних из которых подключены с помощью токоподвода к вторичным обмоткам печных трансформаторов, отличается от известного тем, что:

1) в управляемых источниках питания измерительной частоты, в которых оставляют неизменными амплитуды и фазы ЭДС, фазы их ЭДС отличаются друг от друга на 180 электрических градусов;

2) требуется установление равенства нулю действующих значений тока измерительной частоты в четырех электродах, не входящих в комбинацию электродов, осуществляемое итерационным процессом последовательного изменения амплитуд и фаз ЭДС управляемых источников питания измерительной частоты электродов;

3) используются два фильтра, прозрачные для тока измерительной частоты и непрозрачные для тока рабочей частоты, выводы каждого из которых присоединяют к соседним электродам, принадлежащим разным фазам печных трансформаторов.

Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». При изучении данной и смежной области техники признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявленному техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

РПК как параметры схемы замещения ванны РТП резистивного нагрева предложены в [6]. Согласно принципу суперпозиции, справедливому для линейных систем, напряжение на участке ванны «электрод - подина» можно представить алгебраической суммой частичных напряжений, каждое из которых обусловлено действием тока, протекающего в одном из электродов

где - напряжения на участках ванны «электрод - подина», $${\dot{U}}_i^{\left(j\right)}$$ - частичные напряжения на участках ванны «электрод - подина», $${\dot{I}}_{эj}$$ - ток в j-м электроде; R_i,j - разностно-потенциальные коэффициенты схемы замещения.

Разностно-потенциальный коэффициент R_i,j определяет связь между частичным напряжениям $${\dot{U}}_i^{\left(j\right)}$$ на участке ванны «i-й электрод - подина» и током, протекающим в j-м электроде печи $${\dot{I}}_{эj}$$ . РПК схемы замещения ванны зависят от ее формы, расположения и геометрических размеров электродов, формы их рабочих поверхностей, а также от электрической проводимости материалов среды ванны [6]. В зависимости от того, к каким электродам относятся частичное напряжение $${\dot{U}}_i^{\left(j\right)}$$ на участке ванны и ток электрода $${\dot{I}}_{эj}$$ , различают собственные и взаимные РПК. Например, собственный РПК R_1,1 ванны шестиэлектродной печи определяет связь между частичным напряжением $${\dot{U}}_i^{\left(j\right)}$$ участка ванны «первый электрод - подина», наводимым током первого электрода за счет его растекания по материалам среды ванны, и значением тока этого электрода. В свою очередь, взаимный РПК R_1,2 устанавливает связь между частичным напряжением $${\dot{U}}_i^{\left(j\right)}$$ участка ванны «первый электрод - подина» и током, определяющим это частичное напряжение и протекающим во втором электроде. Для взаимных РПК схемы замещения ванны справедлив принцип взаимности R_ij=R_ij, i≠j [6].

Известно [7], что для расстояний между осями соседних электродов, характерных для действующих печей, собственный разностно-потенциальный коэффициент участка «электрод - подина» ванны для каждого электрода весьма слабо зависит от положения в ванне соседних электродов, что дает основание использовать его в качестве электрического параметра, характеризующего состояние пространства под электродом ванны. В частности, независимо от положения в ванне одного из электродов, например первого, при изменении заглубления в ванну других электродов значение собственного РПК для R_1,1 участка ванны «первый электрод - подина» изменяется незначительно.

На фиг. 1a и 1б изображены полученные физическим и математическим моделированием зависимости относительных собственных РПК для «крайних» электродов R^∗ _1,1=R_1,1/R_эу1=R^∗ _6,6=R_6,6/R_эу6 (кривая 1), для «внутренних» электродов R^∗ _2,2=R_2,2/R_эу2=R^∗ _3,3=R_3,3/R_эу3=R^∗ _4,4=R_4,4/R_эу4=R^∗ _5,5=R_5,5/R_эу5 (кривая 2), взаимных РПК R^∗ _1,2= R_1,2/R_эу1=R^∗ _2,3=R_2,3/R_эу2=R^∗ _3,4=R_3,4/R_эу3=R^∗ _4,5=R_4,5/R_эу4=R^∗ _5,6=R_5,6/R_эу5 (кривая 3) и R^∗ _1,3=R_1,3/R_эу1=R^∗ _2,4=R_2,4/R_эу2=R^∗ _2,4=R_2,4/R_эу2=R^∗ _2,4=R_2,4/R_эу2 (кривая 4) схемы замещения ванны шестиэлектродной печи с расположением электродов в линию при одинаковом заглублении h_э всех электродов от относительного расстояния между осями соседних электродов S^∗=S/l, где R_эуi - сопротивление ванны i-го электрода в предположении отсутствия в ванне остальных электродов, l - высота слабопроводящего слоя ванны. Анализ полученных зависимостей показывает, что взаимные РПК R_{i, i+1}, i=1, …, 5, примерно на порядок меньше собственных РПК R_i,i и R_i+1,i+1, а взаимные РПК R_i,i+2, 1, …, 4 - на два порядка. Чем более удалены электроды друг от друга, тем меньше значение взаимного РПК схемы замещения ванны для этих электродов. Это дает основание при исследовании электрического режима печи без значительной погрешности пренебречь влиянием взаимных РПК R_i,j схемы замещения ванны, для которых j>i+1 (i>j+1), и принять их значения равными нулю. При таком допущении для напряжений участков «электрод - подина» и токов измерительной частоты будут справедливы равенства

Допустим, что обеспечен электрический режим печи для первой комбинации электродов «первый электрод - четвертый электрод», при котором отсутствует ток измерительной частоты во втором, третьем, пятом и шестом электродах, т.е. I_2и=I_3и=I_5и=I_6и=0 (табл.). Тогда очевидно I_1и=I_4и и из (2) следуют соотношения

Если обеспечен электрический режим печи для второй комбинации (табл.), при которой отсутствует ток измерительной частоты в первом, третьем, четвертом и шестом электродах, т.е. I_1и=I_3и=I_4и=I_6и=0. Тогда очевидно I_2и=I_5и и из (2) следуют соотношения

Когда обеспечен электрический режим печи для третьей комбинации (табл.), при которой отсутствует ток измерительной частоты в первом, втором, четвертом и пятом электродах, т.е. I_1и=I_2и=I_4и=I_5и=0. Тогда очевидно I_3и=I_6и и из (2) следуют соотношения

На фиг. 2 изображена схема цепи силового питания печи, источников питания измеряющей частоты и измерения, в которой E_1пит, Е_2пит, Е_3пит - ЭДС вторичных обмоток печных трансформаторов; Z_1кс, Z_2кс, Z_3кс, Z_4кс, Z_4кс, Z_5кс, Z_6кс - сопротивления вторичных обмоток трансформаторов и короткой сети; R_1,1, R_2,2, R_3,3, R_4,4, R_5,5, R_6,6 - собственные разностно-потенциальные коэффициенты схемы замещения ванны; R_1,2, R_2,3, R_3,4, R_4,5, R_5,6 - взаимные разностно-потенциальные коэффициенты схемы замещения ванны; Ф1, Ф2 - фильтры, прозрачные для тока измеряющей частоты и непрозрачные для тока рабочей частоты.

Ввод ЭДС источников питания измеряющей частоты можно осуществить, например, при помощи вводных устройств, по конструкции напоминающих трансформаторы тока, которые на фиг. 2 обозначены T1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6. Вторичными обмотками вводных устройств являются ветви короткой сети, охваченные магнитопроводами, на которых расположены первичные обмотки с большим числом витков.

Первичные цепи вводных устройств содержат фильтры Ф3, Ф4, Ф5, Ф6, Ф7, Ф8, прозрачные для тока рабочей частоты источника питания, фильтры Ф9, Ф10, Ф11, Ф12, Φ13, Φ14, прозрачные для токов измеряющей частоты, источники питания измеряющей частоты e_1изм, е_2изм, е_3изм, е_4изм, е_5изм, е_6изм с изменяемыми амплитудой и фазой ЭДС. В первичную цепь включены датчики действующего значения тока ДТ1, ДТ2, ДТ3, ДТ4, ДТ5, ДТ6, токовые обмотки ваттметров W1, W2, W3, W4, W5, W6. По величине тока первичной цепи вводного устройства судят о токе измеряющей частоты в электроде. Обмотки напряжения ваттметров W1, W2, W3, W4, W5, W6 последовательно соединены с прозрачными для тока измеряющей частоты фильтрами соответственно Ф15, Ф16, Ф17, Φ18, Φ19, Ф20 и подключены к электродам и подине ванны.

На фиг. 3а, 3б изображены возможные схемы фильтров, прозрачные для токов одной частоты и непрозрачные для токов другой частоты. Например, если схемы прозрачны для токов измерительной частоты и непрозрачны для токов рабочей частоты, то в каждой из них параллельный контур имеет резонансную настройку на частоте рабочего тока. Сопротивление параллельного контура имеет индуктивный характер для измеряющей частоты, если последняя ниже частоты питающего печь тока. Поэтому для пропускания токов измеряющей частоты последовательно с этим контуром включен конденсатор, емкостное сопротивление которого совместно с индуктивным сопротивлением контура обеспечивает резонанс напряжений на измеряющей частоте. Если же измеряющая частота больше рабочей частоты, то параллельный контур имеет емкостное сопротивление и последовательное включение с контуром катушки обеспечивает резонанс напряжений на измеряющей частоте.

Способ осуществляется следующим образом.

Пусть необходимо определить собственные разностно-потенциальные коэффициенты R_1,1, I_4,4 для первого и четвертого электродов схемы замещения ванны. Тогда амплитуды и фазы ЭДС источников измеряющей частоты е_1изм и е_4изм оставляют неизменными такими, что их фазы ЭДС отличаются друг от друга на 180 электрических градусов. Амплитуды и фазы ЭДС источников измеряющей частоты е_2изм, е_3изм, е_5изм, е_6изм изменяют так, чтобы действующие значения токов I_2и, I_3и, I_5и, I_6и измеряющей частоты в ветвях соответствующих электродов достигли значений, равных нулю. При этом условии действующие значения токов I_1и и I_4и будут равны, а собственные разностно-потенциальные коэффициенты ванны для крайних электродов определяются по выражениям (3).

При определении собственных РПК схемы замещения ванны R_2,2, R_5,5 для второго и пятого электродов амплитуды и фазы ЭДС источников измеряющей частоты е_2изм и e_5изм оставляют неизменными так, что их фазы ЭДС отличаются друг от друга на 180 электрических градусов. При этом амплитуды и фазы ЭДС источников измеряющей частоты е_1изм, е_3изм, е_4изм, е_6изм изменяют так, чтобы действующие значения токов I_1и, I_3и, I_4и, I_6и измеряющей частоты в ветвях соответствующих электродов достигли значений, равных нулю. Тогда действующие значения токов I_2и и I_5и будут равны, а собственный РПК схемы замещения ванны для второго и пятого электродов определяются по (4).

При определении собственных РПК схемы замещения ванны R_3,3, R_6,6 для третьего и шестого электродов амплитуды и фазы ЭДС источников измеряющей частоты е_3изм и е_6изм оставляют неизменными так, что их фазы ЭДС отличаются друг от друга на 180 электрических градусов. При этом амплитуды и фазы ЭДС источников измеряющей частоты е_1изм, е_3изм, е_4изм, е_5изм изменяют так, чтобы действующие значения токов I_1и, I_2и, I_4и, I_5и измеряющей частоты в ветвях соответствующих электродов достигли значений, равных нулю. Тогда действующие значения токов I_3и и I_6и будут равны, а собственные РПК схемы замещения ванны для второго и четвертого электродов определяются по (5).

Источники информации

1. А.С. СССР №436458, кл. H05В 7/144. Способ определения сопротивления межэлектродного пространства рабочей зоны трехфазной рудно-термической печи. 1972.

2. А.С. СССР №706943, кл. H05В 7/144. Фрыгин В.М. Способ определения проводимости подэлектродного объема трехфазной рудно-термической печи. Опубл. 31.12.79 в БИ №48, 1979.

3. А.С. СССР №955534, кл. H05В 7/144. Фрыгин В.М. Способ определения сопротивления между электродом и подиной трехфазной трехэлектродной рудно-термической печи. Опубл. 30.08.82 в БИ №32, 1982.

4. А.С. СССР №955535, кл. H05В 7/144. Фрыгин В.М. Способ определения проводимости между электродом и подиной трехфазной трехэлектродной рудно-термической печи. Опубл. 30.08.82 в БИ №32, 1982.

5. Патент РФ №2550739. Ильгачев А.Н., Абрамов А.В. Способ определения электрического параметра, характеризующего состояние подэлектродного пространства трехфазной трехэлектродной печи. Опубл. 10.05.2015, Бюл. №13.

6. Ильгачев А.Н. Разностно-потенциальные коэффициенты ванн многоэлектродных печей резистивного нагрева. / А.Н. Ильгачев // Вестник Чувашского университета. 2006. №2. С.227-233.

7. Ильгачев А.Н. Исследование разностно-потенциальных коэффициентов ванн многоэлектродных печей резистивного нагрева. / А.Н. Ильгачев // Региональная энергетика и электротехника: проблемы и решения. Вып.7. Чебоксары. Изд-во Чуваш. ун-та. 2011. С. 196-209.

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано для контроля электрических параметров, характеризующих состояние подэлектродных объемов ванны трехфазной рудно-термической печи с шестью электродами, расположенными в линию. Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение возможностей определения разностно-потенциальных коэффициентов ванны. Этот результат достигается тем, что в заявляемом способе определения электрических параметров, характеризующих состояние подэлектродных пространств ванны трехфазной рудно-термической печи с шестью электродами, расположенными в линию, пары соседних из которых подключены с помощью токоподвода к вторичным обмоткам печных трансформаторов, к электрической цепи печи подключают два фильтра, прозрачные для тока измерительной частоты и непрозрачные для тока рабочей частоты, выводы каждого из которых присоединяют к соседним электродам, принадлежащим разным фазам печных трансформаторов, последовательно к каждому электроду подключают управляемый источник питания измеряющей частоты, отличной от рабочей частоты источника питания печи, для каждой из трех комбинаций, состоящей из двух электродов «электрод - электрод, расположенный через два электрода», оставляют неизменными амплитуды и фазы ЭДС их источников питания измеряющей частоты такими, что фазы их ЭДС отличаются друг от друга на 180 электрических градусов, изменяют амплитуды и фазы ЭДС источников измеряющей частоты остальных электродов так, чтобы действующее значения токов измеряющей частоты в них стали равными нулю, измеряют ток в цепи попарно выбранных электродов, активные мощности, выделяющиеся на участках «электрод - подина» выбранной комбинации на измеряющей частоте, и вычисляют собственные разностно-потенциальные коэффициенты схемы замещения ванны в соответствии с выражениями

где I_1и, I_2и, I_3и, P_1и, P_2и, P_3и, P_4и, P_5и, P_6и - величины токов в первичной цепи источника питания измеряющей частоты электродов в комбинациях пар «электрод - электрод, расположенный через два электрода» и активные мощности, выделяющиеся на участках «электрод - подина» соответствующих комбинаций электродов; w_т - количество витков первичной обмотки вводного устройства. 1 табл., 3 ил.

Способ определения электрических параметров, характеризующих состояние подэлектродных пространств ванны трехфазной рудно-термической печи с шестью электродами, расположенными в линию, пары соседних из которых подключены с помощью токоподвода к вторичным обмоткам печных трансформаторов, в соответствии с которым последовательно к каждому из электродов подключают управляемый источник питания измеряющей частоты, отличной от рабочей частоты источника питания печи, изменяют ЭДС и фазы источников питания измеряющей частоты, измеряют токи и активные мощности на измеряющей частоте и определяют электрические параметры подэлектродных пространств, в качестве которых приняты собственные разностно-потенциальные коэффициенты участков ванны «электрод - подина», отличающийся тем, что к электрической цепи печи подключают два фильтра, прозрачные для тока измерительной частоты и непрозрачные для тока рабочей частоты, выводы каждого из которых присоединяют к соседним электродам, принадлежащим разным фазам печных трансформаторов, для каждой из трех комбинаций, состоящей из двух электродов «электрод - электрод, расположенный через два электрода» оставляют неизменными амплитуды и фазы ЭДС их источников питания измеряющей частоты такими, что фазы их ЭДС отличаются друг от друга на 180 электрических градусов, изменяют амплитуды и фазы ЭДС источников измеряющей частоты остальных электродов так, чтобы действующие значения токов измеряющей частоты в них стали равными нулю, измеряют ток в цепи попарно выбранных электродов, активные мощности, выделяющиеся на участках «электрод - подина» выбранной комбинации на измеряющей частоте, и вычисляют собственные разностно-потенциальные коэффициенты схемы замещения ванны в соответствии с выражениями

где I_1и, I_2и, I_3и, P_1и, P_2и, P_3и, P_4и, P_5и, P_6и - величины токов в первичной цепи источника питания измеряющей частоты в комбинациях пар «электрод - электрод, расположенный через два электрода» и активные мощности, выделяющиеся на участках «электрод - подина» соответствующих комбинаций электродов; w_т - количество витков первичной обмотки вводного устройства.