Регулятор мощности дуговой многофазной электропечи Советский патент 1988 года по МПК H05B7/148 

со со со

00

со

(fiutt

Изобретение относится к электротермии, в частности к регулированию мощности дуговых электропечей.

Целью изобретения является, повы- шение качества регулирования путем формирования заданного значения дисперсии тока дуги.

На фиг.1 изображена функциональная блок-схема регулятора мощности; на фиг.2 - функциональная блок-схема датчика коэффициента корреляции; на фиг.З - временные диаграммы, поясняющие работу датчика коэффициента корреляции, где а, б - сигналы на пхо- дах соответственно первого и второго дифференциаторов; в - сигналы на первом выходе таймера г, д - сигналы на выходах соответственно первого и второго устройств ограничения, е, ж- сигналы на выходах соответственно первого и второго компараторов; з - сигналы на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ; и - сигналы на втором выходе Таймера; к - сигналы на выходе элемента И-, л - сигналы на третьем выходе таймера-, м - сигналы на четвертом выходе таймера, на фиг.4 - функциональная блок-схема таймера, на фиг.З - временные диаграммы, по- ясняющие работу таймера, где н - сигналы на выходе генератора прямоугольных импульсов, в - сигналы на выходе первого одновибратора (первый выход таймера)j о - сигналы на выходе пер- вогр логического элемента 2И-НЕ; п - сигналы на выходе второго одновибратора (второй выход таймера); р - сигналы на выходе второго логического элемента 2И-НЕ; с - выходные сигналы десятичного счетчика; т - сигналы на выходе третьего логического элемента 2И-НЕ; л - сигналы на выходе третьег одновибратора (третий выход таймера) ф - сигналы на выходе четвертого ло- гического элемента 2И-НЕ , м - сигнал на выходе четвертого одновибратора (четвертый выход таймера).

Регулятор для каждой фазы регулирования содержит датчик 1 тока, датчик 2 напряжения на дуге, выходы которых соединены с соответствующими входами первого блока 3 сравнения, выход которого соединен с входом уси

лителя 4, а выход усилителя 4 соединен с входом исполнительного механизма 5. Второй вход датчика 6 коэффициента корреляции соединен с выходом датчика 2 напряжения на дуге, а вы- |

0

5

Q 5 0 5 0 з

0

5

ход датчика 6 коэфф1щиента корреляции соединен с первым входом второго блока 7 сравнения, второй вход которого соединен с выходом задатчика 8 коэффициента корреляции, а выход блока 7 сравнения соединен с управляющим входом фазо- сдвигающего блока 9, информационный вход которого соединен с выходом генератора 10 случайного сигнала, первый и второй управляющие входы которого соединены с выходом соответственно задатчика 11 дисперсии и с выходом задатчика 12 частотного спектра, а выход фазосдвигающего блока 9 соединен с первым входом датчика 6 коэффициента корреляции, и с входом блока 13 элементов ЗОНА НЕЧУВСТВИ- ТЕЛЬНОСТИ-ОГРАНИЧЕНИЕ, выходы которого через блок 14 регулирования индуктивного сопротивления соединены .. соответственно с входами секционного регулируемого дросселя 15.

Датчик 6 коэффициента корреляции содержит таймер 16, первый выход 17 которого соединен с управляющими входами первого 18 и второго 19 дифференциаторов, информационные входы первого 18 и второго 19 дифференциаторов являются соответственно первым и вторым входами датчика 6 коэффициента корреляции, а выходы первого 18 и второго 19 дифференциаторов соответственно через первое 20 и второе 21 устройства ограничения, первый 22 и второй 23 компараторы подключены к соответствующим входам логического элемента ИСКЛЮЧАЩЕЕ ИЛИ 24, выход которого подключен к второму входу логического элемента И 25, а первый вход логического элемента И 25 подключен к второму выходу таймера 16, а выход логического элемента И 25 через последовательно соединенные счетчик 26, цифроаналоговый преобразователь 27 и устройство 28 выборки-хранения соединен с входом функционального преобразователя 29, выход которого является выходом датчика 6 коэффициента корреляции, а третий и четвер- тьгй выходы таймера 16 соединены соответственно с управляющим входом устройства 28 выборки-хранения и с входом сброса счетчика 26.

Таймер содержит генератор 30 прямоугольных импульсов, выход которого соединен с входом первого одновибра

31

тора 31 и через первый логический элемент 2И-НЕ 32 соединен с входом второго одновибратора 33, выход которого является вторым выходом таймера 16, а вьпгод первого одновибратора 31, который является также первым выходом таймера 16, через последовательно соединенные второй логически элемент 2И-НЕ 34, десятичньй реверсивный счетчик 35 и третий логический элемент 2И-НЕ 36 соединен с входом третьего одновибратора 37, а выход третьего одновибратора 37, который является также третьим выходом таймера 16, через четвертый логический элемент 2И-НЕ 38 соединен с входом четвертого одновибратора 39, выход которого является четвертым выходом таймера 16.

Сущность работы регулятора заключается в следующем.

Процесс изменения тока дуги дуговой электропечи в процессе плавки носит случайный характер и на опреде- ленном временном промежутке является нормально распределенным процессом X(t) с дисперсией 6. В предлагаемом регуляторе формирование заданного уровня дисперсии обеспечивается путем сложения двух контрвяриантных случайных нормально распределенных

процессов: X(t) - нормально распределенного случайного процесса возмущений регулируемой координаты с 2

дисперсией и сформированного 11ормально распределенного процесса Y(t) с дисперсией 6 .

При сложении этих двух нормально распределенных процессов получим про цесс Z(t), дисперсия которого определяется как

- / 6 - tj ж

X + - 6 у

где

г - коэффициент корреляции меж

x tv -2rv

ду случайными процессами

X(t) и Y(t).

Анализ выражения (1) показывает, что при условии 6 6 дисперсия процесса Z(t) может изменяться от величины 6j 4 6 при контвариаНт- ных процессах X(t) и Y(t) с коэАби- циентом корреляции г -, +1 до j О и проведя интегрирование, получим

50

Для определения коэффициента ко реляции г уу используем известное п ложение, согласно которому вероятность того, что знаки сигналов X(t) и Y(t) одинаковы (Р) или прот воположны (Q), определяется путем интегрирования выражения для двухмерных плотностей по X и Y в преде лах от О до ел (для Р) или от О до La и от - 60 до О (для 0) .

Принимая для нашего случая (, и

1

f(,,y) 1,е - -,

при контрвариантных процессах X(t) и Y(t) с коэффициентом корреляции г v, -1. Следовательно, путем изменения в определенных пределах коэффициента корреляции г j(., можно изменять в оп Р (1.|

2II

Q - arccos

arcsin г ); Jtv

j(4

(3)

0

5

5 о

0

f X у иеобяределенных пределах дисперсию Ь результирующего случайного процесса Z(t) или же поддерживать ее на заданном уровне 6 const.

Соблюдение условия зательно, однако это значительно упрощает формирование процесса Z(t) с заданной дисперсией, так как при выполнении указанного условия существует однозначная зависимость между заданным значением коэффициента корреляции и дисперсией процесса Z(t). Для обеспечения контрвариантности процессов X(t) и Y(t) последний должен иметь такой же частотный спектр как и процесс X(t).

Таким образом, генератор 10 случайного процесса должен генерировать на протяжении определенного периода плавки случайный процесс Y(t) с дис2

Персией & и частотным спектром, ко л

торые соответствуют дисперсии частотному спектру процесса X(t).

С учетом изложенного выражение (1) примет вид:

6 2&1

(1 +

г,,).

(2)

25

35

-40

45

x tv -2rv

О и проведя интегрирование, получим

50

Как видно из выражения (2), заданную величину дисперсии суммарного процесса 6 можно получить с определенной точностью путем поддержания заданной величины коэффициента корреляции г,,, найденного из этого выражения для соответствующего периода плавки.

Для определения коэффициента корреляции г уу используем известное положение, согласно которому вероятность того, что знаки сигналов X(t) и Y(t) одинаковы (Р) или противоположны (Q), определяется путем интегрирования выражения для двухмерных плотностей по X и Y в пределах от О до ел (для Р) или от О до La и от - 60 до О (для 0) .

Принимая для нашего случая (, и

1

f(,,y) 1,е - -,)

Р (1.|

2II

Q - arccos

arcsin г ); Jtv

j(4

(3)

Вероятность совпадения знаков (Р) сигналов X(t) и Y(t) и вероятность их несовпадения (Q) связаны зависимостью

Р + Q

1.

С учетом изложенного после несложных преобразований получим cos(Q) .

XV

(А)

Регулятор работает следующим образом.

Контур регулирования, включающий датчик 1 тока дуги, датчик 2 напряжения, блок 3 сравнения, усилитель 4 и исполнительный механизм 5, осуществляют обработку возмущений электри- ческого режима, вызвавших смещение рабочей точки печи в сторону короткого замыкания или обрыва дуги путем перемещения электродов в сторону ликвидации возмущения .

В качестве регулируемого параметра используется разность сигналов, пропорциональных току дуги Iq и напря

дуги и

и

рас

9 aU в1

Г

где а и в - постоянные коэффициенты, определяющие уставку ре- гулятора.

Установленному режиму работы электропечи соответствует нулевое значение регулируемого параметра . Этот контур регулирования представляет собой электромеханическую систему, обладающую таким основным недостатком как низкое быстродействие при ликвидации возмущений, что обуслов-. ливает высокую дисперсию тока дуги,

С целью изменения дисперсии регулируемой координаты (точка дуги) в широком диапазоне, а также поддержания ее на заданном уровне в предлагаемом устройстве предусмотрен контур, включающий датчик 2 напряжения на .дуге, датчик 6 коэффициента корреляции, блок 7 сравнения, задат- чик 8 коэффициента корреляции, фазо- сдвигающий блок 9, генератор 10 случайных сигналов, задатчик 11 дисперсии, задатчик 12 частотного спектра.

В процессе работы печи с указанным контуром сигнал тока дуги может быть представлен как 1 Хд.зад + ul

13998976

+ Л , где 1д,зиА - заданное значение тока дуги, /II (процесс X(t)) - от

клонения тока дуги, обусловленные действиями возмущений и работой электромеханического регулятора; ul (процесс Y(t)) - отклонения тока дуги, обусловленные изменением индуктивного сопротивления дросселя Хдр в функции выходного напряжения генератора 10 случайного сигнала.

Коэффициент корреляции между этими процессами находим по одному из выражений (3), используя для его определения знаковые признаки двух рассматриваемых процессов. Так как определение процесса J l и, следователь

предлагается в качестве информации о знаковых изменениях процесса l использовать знаковые изменения jUa Ala в соответствующей фазе, которые однозначно связаны между собой.

Аналогично в качестве информации о знаковых изменениях 41 используем

знаковые изменения выходного напряже- ния ли генератора 10 случайного сигнала, которые приводят к изменениям индуктивного сопротивления дросселя ДХдд, а последние, в

, а llu jiCMnnc,а СВОЮ ОЧервДЬ,

обусловливают изменение Л1 .

Следовательно, для определения коэффициента корреляции между сигналами J I и dl используем знаковые из- менения соответственно Д 1 q и dU,-, принимая во внимание то, что а обратный знаку приращения тока дуги J I в заданной фазе, а обратный знаку приращения тока дуги за счет изменения индуктивности дросселя. Знаковая зависимость между 4Ur и л определяется соответствующей настройкой системы импульсно-фазового управления блока 14 регулирования индуктивного сопротивления дросселя. Это замечание учитывается при формировании заданного уровня дисперсии и выборе формулы, определяющей алгоритм функционального преобразователя 29. Использование знаковых признаков сигнала Л1о имеет то преимущество, что они говорят о причинах возникновения приращения dl .

Таким образом, достигается регулирование по возмущению и автономи- зируется режим в каждой фазе регулирования .

Сигнал, пропорциональный напряжению на дуге U, поступает с вы

хода датчика 2 Напряжения на дуге. на первый вход датчика 6 коэффициента корреляции, на второй вход которого с входа фазосдвигающего блока

9поступает сигнал, пропорциональный напряжению управления U генератора,

10случайного сигнала. Первый и второй входы датчика 6 коэффициента корреляции являются соответственно входами первого 18 и второго 19 дифференциаторов, на управляющие входы которых поступают тактовые импульсы (фиг.Зв) с первого выхода таймера 16.

ти от частотного спектра исследуемых сигналов, и может быть принят, наприt, пе

мер, равным 1ц lOt, где риод синхронизирующих импульсов (фиг.Зв).

в конце каждого периода счетчик 26 сбрасывается в нулевое положение по сигналу (фиг.3м), поступающему на его управляющий вход с четвертого выхода таймера 16. Цифроаналоговый преобразователь 27 производит непрерывное преобразование выходного сигнала счетчика 26 в аналоговую величину и

Изобретение относится к области электротермии. Целью изобретения является повышение качества регулирования путем формирования заданного значения дисперсии тока дуги. В регулятор дополнительно введен контур формирования заданного значения дисперсии тока дуги, включающий в себя датчик коэффициента корреляции 6, блок сравнения 7, задатчик коэффициента корреляции 8, фазосдвигающий блок 9, генератор случайного сигнала 10, задатчики дисперсии 11 и частотного спектра 12. Благодаря дополнительно введенным элементам D данном регуляторе представляется возможным формировать дисперсию тока дуги в процессе регулирования мощности дуговых электропечей, a также поддерживать ее в постоянном за цанном уровне при различном характере возмущений. действукнцих в печи. 2з.п.ф-лы,5 ил. сл

Необходимый период импульсов (шаг 15 подает его на вход блока 28 выборки- квантования) на первом выходе таймера хранения.

16 может быть определен, например, по теореме Котельникова

1

1 2F

где t, - период импульсов на первом выходе таймера 16;

FJ. - максимальная частота опрашиваемого сигнала. На выходе первого 18 и второго 19 дифференциаторов получаются сигналы, пропорциональные первым производным по времени, которые поступают на входы соответственно первого 20 и вто- рого 21 устройств ограничения. Сигналы с выходов первого 20 и второго 21 элементов ограничения (фиг.32г,д) поступают на входы соответственно первого 22 и второго 23 компараторов Напряжения смещения компараторов установлены таким образом, что последние срабатывают при отрицательном значении входного сигнала. Сигналы с выходов первого 22 и второго 23 компараторов (фиг.3е,ж) поступают на соответствующие входы логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 2Д, на выходе которого в момент несовпадения знаков входных сигналов Формируется сигнал (фиг.2,3з), поступающий на второй вход логического элемента И 25 На первый вход логического элемента И 25 поступают тактовые импульсы с второго выхода таймера 16 (фиг.Зп), фаза которых может быть сдвинута, например, на половину периода относительно фазы тактовых импульсов, снимаемых с первого выхода таймера 16 (фиг.Зв). Счетчик 26 производит подсчет количества несовпадения знаков производных входных сигналов (,фиг.3,а,б) на протяжении времени цикла t,,, определяемого в зависимос

Перезапись сигнала с выхода цифро- аналогового преобразователя 27 на выход блока 28 выборки-хранения производится по инициативному сигналу, снимаемому с третьего выхода таймера 16 и поступающему на управляющий вход устройства 28 выборки-хранения (фиг.3л). Выходной сигнал счетчика

26 представляет собой количество несовпавших знаков производных иссле- дуемых сигналов, что при постоянном

t будет пропорционально вероятности несовпадения знаков. Этот сигнал посредством блоков 27 и 28 преобразуется на выходе блока 28 выборки-хранения в аналоговую величину, пропорциональную величине вероятности несовпадения за время реализации цикла ti, и представляется, например, в виде напряжения.

С выхода блока 28 выборки-хранения этот сигнал, пропорциональный величине вероятности несовпадений знаков, поступает на вход функционального преобразователя 29, реализующего зависимость (4). Следовательно, сигнал на выходе функционального преобразователя 29, который является выходом датчика 6 коэффициента корреляции, пропорциональный коэффициенту корреляции Гу между сигналами Л1 и 41.

С выхода датчика 6 коэффициента корреляции сигнал, пропорциональный коэффициенту корреляции г, поступает на первый вход блока 7 сравнения.

Сигнал, пропорциональный заданному значению коэффициента корреляции Гу эал поступает на второй вход устройства 7 сравнения с выхода за- датчика 8 коэффициента корреляции.

ху хУЗа(С

Если сигнал на выходе блока сравнения равен нулю, т.е. то угол сдвига между входным и выходным сигналами фазосдвигающего устройства 9 i/ ,0, т.е. блок 14 регулирования индуктивного сопротивления дросселя производит преобразование выходного сигнала генератора 10 случайного сигнала в соответствующую величину лХдр без временной задержки и процессы jl и /Jl контр- вариантны с коэффициентом корреляции г

XV ЭЯЛ

Если

Гх VV5«4 °

де устройства сравнения появился сигнал рассогласования, то преобразование выходного сигнала генератора случайных процессов в соответствующую величину происходит с соответствующим временным сдвигом ( 1/70 или ) т.е. с опережением или запаздыванием которое определяется величиной сигнала рассогласования, поступающего на управляющий вход фазосдвигающего блока 9.

Генератор 10 случайных сигналов вырабатывает сигнал, дисперсия которого & через первый управляJющий вход задается при помощи задатчика 11 дисперсии, частота спектра этого сигнала задается через второй управляющий вход генератора 10 случайных сигналов задатчиком 12 частотного спектра. Сигнал с дисперсией 6 Ь, и заданным частотным спектром поступает на информационный вход фазосдвигающего устройства 9.

Значения дисперсии 6 , а также частотный спектр задаются через соот- ветствующие задатчики на каждый период плавки, например, оператором вручную. Задатчики дисперсии 11 и частотного спектра 12, могут быть реализованы на стандартных кнопочных переключателях, расположенных на панели управления генератора 10 случайных сигналов. Задатчик 8 коэфАициента корреляции может быть реализован, например, на стандартном потенциометре напряжения, с выхода которого снимается сигнал, пропорциональный

(3

Таймер работает следующим образом.

Генератор 30 прямоугольных импульсов генерирует на выходе прямоугольные импульсы (фиг.Зи). Выходные им- ( пульсы генератора 30 прямоугольных

0

5

0

5

0

импульсов поступают на вход первого одновибратора 31 и запускают его своим передним фронтом. На выходе первого одновибратора 31 формируются импульсы требуемой длительности, которая определяется параметрами дифференциаторов 18 и 19 и может быть принята, например, 0,01 с. Выходные сигналы первого одновибратора 31 (фиг.Зв, 5в) поступают на первый выход таймера 16, Выходные импульсы генератора 30 прямоугольных импульсов поступают также на вход первого 5 логического элемента 2И-НЕ 32, выходные импульсы которого (фиг.Зо) своим передним фронтом запускают второй одновибратор 33, выходные импульсы которого (фиг.Зп, 5п) поступают на второй вход таймера 16. Длительность импульсов второго вибратора 33 может быть принята, например, 0,01 с. Выходные импульсы первого одновибратора 31 пбступают на вход второго логического элемента 2И-НЕ 34, а выходные импульсы последнего (фиг.Зр) поступают на вход десятичного счетчика 35. Последний после каждого десятичного входного импульса формирует на выходе импульс (фиг.5с), который поступает на вход третьего логического элемента 2И-НЕ 36. Выходные сигналы третьего логического элемента 2И-НЕ 36 (фиг.5т) своим передним фронтом запускают третий одновибратор 37, выходной сигнал которого поступает на третий выход таймера 16. Длительность импульсов третьего одновибратора 37 может быть принята, например, 0,001 с (определяется временем перезаписи информации с цифроаналогового преобразователя 27 на устройство 28 выборки-хранения) .

Сигнал с выхода третьего однови- ратора 37 (фиг.3л, 5л) поступает на вход четвертого логического элемента 2И-НЕ 38, выходной сигнал которого (фиг.5ф) своим передним Фронтом запускает четвертый одновибратор 39. Формируемые четвертым одновибратором 39 импульсы (фиг.3м, 5м) поступают на четвертый выход таймера 16, их длительность может быть принята, например, 0,001 с (определяется временем сброса счетчика 26).

Таким образом, в регуляторе мощности дуговой многофазной электропечи благодаря наличию в нем контура

5

0

5

формирования заданного значения дисперсии z дуги можно поддерживать это значение на постоянном заданном уровне 6|, const для каж4 0 4

дого периода плавки, обеспечивающем качественную работу системы регулирования электрического режима ДСП.

Использование знаковых признаков приращений напряжения на дуге iJUq в качестве информации в контуре формирования заданного значения дисперсии тока дуги позволяет автоматизировать продесс управления электрическим режимом в каждой фазе регулирова- ния, а уменьшение дисперсии 6 тока дуги до величины, обеспечивающей качественную работу системы регулирования, позволяет уменьшить дисперсию активной мощности, т.е. приводит к более равномерному вводу активной мощности в печь и тем самым стабилизирует тепловой и технологический режимы плавки.

Формула изобретения

каждой фазе регулирования датчик то- 30 вый вход логического элемента И соека, датчик напряжения на дуге, выходы которых соединены с соответствующими входами первого блока сравнения, выход которого через усилитель соединен с входом исполнительного механиз- зв устройство выборки хранения соединен ма, блок элементов ЗОНА НЕЧУВСТВИТЕЛЬ- НОСТИ-ОГРАНИЧЕНИЕ, выходы которого через блок регулирования индуктивного сопротивления соединены с соот- . ветствующими входами секционного ре- 40 гулируемого дросселя, включенного на первичной стороне печного трансформатора, отличающийся тем, что, с целью повьш ения качества регулирования путем формирования задан- 45 ного значения дисперсии тока дуги, он дополнительно снабжен задатчиком коэффициента корреляции, вторым блоком сравнения, фазосдвигающим блоком.

с входом функционального преобразователя, выход которого является выходом датчика коэффициента корреляции, третий и четвертый выходы таймера соединены соответственно с управляющим входом устройства выборки-хранения и с входом сброса счетчика.

задатчиком дисперсии, задатчиком час- 50 входом второго одновибратора, выход

тотного спектра, генератором случайного сигнала и датчиком коэффициента корреляции, первый вход которого соединен с выходом датчика напряжения на дуге, выход датчика коэффициента корреляции соединен с первым входом второго блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом задатчика коэффициента корреляции, а выход - с

10

159989712

управляющим входом (фазосдвигающего блока, информационный вход которого соединен с выходом генератора случайного сигнала, первьш и второй управляющие входы которого соединены соответственно с выходом задатчика дисперсии и с выходом задатчика частотного спектра, выход фазосдвигающего блока соединен с входом блока элементов ЗОНА НЕЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ-ОГРАНИ- ЧЕНИЕ и с первым входом датчика коэффициента корреляции.

динен с вторым выходом таймера, выход логического элемента И череэ последовательно соединенные счетчик, цифроаналоговый преобразователь и

устройство выборки хранения соединен

с входом функционального преобразователя, выход которого является выходом датчика коэффициента корреляции, третий и четвертый выходы таймера соединены соответственно с управляющим входом устройства выборки-хранения и с входом сброса счетчика.

5

которого является вторым выходом таймера, а выход первого одновибратора, который является также первым выходом таймера, через последовательно соединенные второй логический элемент 2И-НЕ, десятичный реверсивный счетчик и третий логический элемент 2И-НЕ соединен с входом третьего одновибратора, выход третьего одновиб13139989714

ратора, который является третьим вы- дом четвертого одновибратора, выход ходом таймера, через четвертый логи- которого является четвертым выходом ческий элемент 2И-НЕ соединен с вхо- таймера.

fPuS. 2

s

г

JUBUUUULJLJUUL

Ж 3

и к

UUUUULAJULfUUL

UUl

П П П П

t

- i

- t

/

П П П П

Фиг. 5

LГlлллJгпJ-LЛJuггL

JUUIJULJULJIJIJUL

1Л11ллш1пг1гигг

UUULJUIJUIJULJLJL

1Г 1Г 1ППППППГт

л