Способ определения индуктивностей и вольт-амперных характеристик нелинейных активных сопротивлений подэлектродных областей многофазной электропечи Советский патент 1992 года по МПК G01R27/26 H05B7/148 F27D21/00 

Изобретение относится к способам и технике определения параметров цепей подэлектродных областей многофазных электропечей и может найти широкое применение при создании систем автоматического контроля и управления электрическим режимом работы электропечей.

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

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ, реализованный в устройстве для измерения полньй гармонических сопротивлений в многофазных электрических системах с нелинейными к несимметричными нагрузками и основанный на спектральном анализе кривых токов и напряжений в исследуемой цепи.

Основным недостатком известного способа является многоступенчатость процесса измерения сопротивлений, невозможность определения вольт-амперХ|

СЛ О 00

со

О

ных характеристик нелинейных активных сопротивлений и индуктивностей цепи, необходимость включения в систему измерений двух взаимно ортогональных т-фазных систем напряжений, что усложняет реализацию.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем определения индуктивностей и вольт-амперных характеристик нелинейных активных сопротивлений подэлектродных областей многофазной электропечи.

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

l(t), i2(t), i5(t)im(t),

выделяют гармонические составляющие этих сигналов и сигналов напряжения U(t) на участке электрод - подина каждой фазы и по этим выделенным гармоническим составляющим сигналов степенных функций электрода и сигнала напряжения на участке электрод - подина определяют величину индуктивности L и коэффициенты п, 1 1,.... т, степенного ряда

UR(t) ni + r2i2 + r3i3 + ... + rmim, представляющего вольт-амперную характеристику нелинейного сопротивления под- эле ктродной области каждой из фаз электропечи.

Определение з лектричёски) параметров 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 снизить материальные и энергетические затраты. Модель электрического режима электропечи занимает одно из важнейших мест в более общей модели технологического процесса, поскольку она определяет не только взаимосвязь между токами и напряжениями в электрической цепи, распределение энергии в зонах печи, но и отражает характер протекания технологического процесса, влияние технологических параметров на электрические. Технологический процесс в печи реализуется за счет тепловой энергии, выделяемой в подэлектродной области, содержащей исходное сырье, при протекании через нее электрического тока. Поскольку исходные шихтовые материалы, промежуточные и конечные продукты реакции образуют проводящую среду, на сопротивлении которой электрическая энергия преобразуется в тепловую, то любые изменения технологического режима приводят к изменению свойств реакционной зоны как проводящей среды и к изменению эквивалентных электрических параметров и характеристик цепи протекания тока в электропечи. Электриче0 ские параметры цепей, активные и реактивные сопротивления, а также напряжения на них недоступны для непосредственного измерения. Внешним проявлением электрических свойств цепей печи являются

5 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

0 цепей электропечи. Существующая в под- электродной области электрическая дуга имеет нелинейную вольт-амперную характеристику и приводит к возникновению высших гармоник в токе и напряжении.

5 Наиболее полной характеристикой нелинейности в электрической цепи является ее вольт-амперная характеристика. Наличие высших гармоник в токе и напряжении дает принципиальную возможность определе0 ния параметров линейных и вольт-амперных характеристик нелинейных элементов электрических цепей электропечи.

На фиг.1 дана схемная модель трехфазной цепи электропечи, широко применяе5 мая для анализа электрического и

энергетического режимов электропечей; на

фиг.2 - устройство для реализации способа.

Схема замещения (фиг.1) состоит из

трех однофазных цепей, соответствующих

0 электродам печи и образующих соединение звездой. Внешние выводы 1-3 соответствуют точкам подключения токоподводов короткой сети к электродам. Цепь каждой фазы представлена в виде последователь5 ного соединения линейной индуктивности Ц и эквивалентного нелинейного активного сопротивления Rq(iq), q 1,2,3. Индуктивность представляет собой эквивалентную индуктивность электродов, ванны и взаим0 ной индуктивности между электродами. Активное нелинейное сопротивление складывается из сопротивления подэлектродной зоны, ванны, расплава и электрода. Все три фазы электропечи представлены

5 одинаковыми по структуре схемами замещения, которые имеют свои параметры и характеристики элементов. Поскольку в подэлектродной зоне может существовать электрическая дуга, то в общем случае сопротивление каждой фазы является нелинейным. Степень нелинейности зависит от режима работы печи. Так, при отсутствии электрической дуги в подэлектродной зоне это сопротивление будут линейным. Задача определения параметров рассматриваемой схемы модели электропечи состоит в определении вольт-амперных характеристик эквивалентных нелинейных сопротивлений фаз URq pq (iq) 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 H(t), 12(1), b(t} и мгновенных значений напряжений на электродах относительно подины Ui(t), U2(t), UaCt) определение параметров схемы замещения каждой фазы может выполняться независимо от других. Схемная модель одной фазы описывается нелинейным дифференциальным уравнением

Oq)-Uq(t),q-1,2,3. (1)

Вольт-амперные характеристики нелинейных сопротивлений предполагаются од- нозначными, что дает возможность представлять их отрезками степенных рядов

m

Oq) 2 rqKiqK,q 1,2,3, К 1

где rqK - неизвестные, подлежащие определению коэффициенты степенных рядов, представляющих вольт-амперные характеристики нелинейных сопротивлений;

lqK - степенные функции мгновенных значений рабочих токов.

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

4 +lrqiclqM-UqW.

К - Т.

isT

Неизвестные параметры фазы: индуктивность Lq и коэффициенты степенного ряда (2) гяк. К 1 т, представляющего

вольт-амперную характеристику нелинейного сопротивления,входят в уравнение (3) линейно. Измеряемые сигналы рабочего тока iq(t) и напряжения Uq(t), а также сигналы производной тока diq(t)/dt и степенных функций тока Iq (t) являются периодическими функциями времени, ограниченными по амплитуде, и удовлетворяют условиям Дирихле. Это дает возможность разложить их в ряд Фурье и представить уравнение фазы

(3) относительно амплитуд гармонических составляющих этих сигналов:

10

«)

15

20

25

30

40

45

50

где IqK , IqK , К 1, ..., m - амплитуды косинусоидальной и синусоидальной составляющих л-й гармоники степенных Функций тока;

tqK(t), , - ПрОИЗВОДНОЙ ТОКЭ

diq(t)/dt;

Uqnc, Uqns - напряжения Uq(t), Составляющие n-й гармоники производной тока выражаются через составляющие тока:

1ЧрПС П U)lqinS, lqins.

Полученная система (4) является системой линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных параметров Ц, гчк. Каждая гармоническая составляющая вносит в систему по два уравнения: для косинусоидальной и синусоидальной составляющих. Для формирования матрицы коэффициентов и вектора правой части сис35 темы (4) необходимо измерение косинусои- дальных и синусоидальных составляющих гармоник тока lq(t) и его степенных функций Iq (t), атакже напряжения Uq(t). Практически такие измерения производятся с помощью синхронного анализатора гармонических составляющих. Система (4) имеет решение относительно (т+1) неизвестных параметров цепи: m коэффициентов степенного ряда гчк, представляющего вольт-амперную характеристику нелинейного сопротивления, и величины индуктивности Ц. Для практического решения системы (4) относительно (т+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 систему двух уравнений для первой гармоники и по одному

55 для последующих. Решение системы (4) на микроЭВМ не представляет сложностей. Таким образом, решается задача определения параметров схемы замещения каждой фазы. В результате получают для каждой фазы значение индуктивности Lq и- вырания параметров схемы замещения каждой фазы, В результате получают для каждой фазы значение индуктивности Lq и выражение вольт-амперной характеристики эквивалентного нелинейного сопротивления, представленной степенным рядом (2). что Дает возможность проводить расчет электрического и энергетического режимов и анализ технологического режима. При анализе энергетического режима по первой гармонике полученные вольт-амперные характе- ристики нелинейных сопротивлений позволяют рассчитать их активные и реактивные сопротивления по первой гармонике. При отсутствии нелинейности в цепи получают решение для частного случая - определение параметров линейной йндук- тивности и линейного сопротивления в каждой фазе. - - .- ..

Устройство для реализации данного способа для каждой из фаз (фиг.2) состоит из датчика 1 тока, датчика 2 напряжения, нелинейных преобразователей 3-К, анализаторов 5-п гармоник, и вычислительного устройства 9.

Устройство работает следующим образом/ ;:.; .7: ... ; - ...-

Сигнал f(t) С датчика 1 тока поступает на .нелинейные преобразователи3..4,..., К, ко- : торые осуществляют операцию возведения ;сортвётст ённо:Шог вторую, треть ю: й.та к да- ее в {пЧо,|Стёп;ён ьсигнала i(t). В результате Гна вых6де преобразователя 4 получают смг- :нал. пропорциональный квадрату тока I2(t), .а на выходе преобразователя К - сигнал, п рЬпо рциональный m-й степени тока lm(t). .Сигналы с нелинейных преобразов йтелёй , 3-К (i2(t)..,-im(t)), а также сигналы непосред- ствённо с датчика 1 тока i(t) и с датчика 2 напряжения U(t) поступают на анализаторы ,5-ri г.ар мони к; с помбй (ьк) которых :ШДеля- ,ют амплитуды первой, второй и так далее rn-й гармонических составляющих этих сиг- налов. Полученные а МплитуДьгт гар моНи- .че ских составляющих этих сигналов поступают на вычислительное устройство 9, в котором на оснбвании измеренных гармонических составляющих напряжения U(t), .тока l(t), квадрата тока i2(t) и так далее im(t) в . соответст.ййи су|завнекием (4) определяется .в иЧйн Ь дукти вности L и цоэффицмёнты ст0пеннбго |ЭЙда г1, гз,... и rm, представляющего нелинейную вольт-амперную характе-- ристику нелинейного сопротивления под- электродной области: .- - .

.; UR() rii + r2l2 + + ... + rmim,

Технически нелинейные преобразователи 3-К могут быть реализованы на основе стандартных перемнржителей сигналов, например, на интегральной микросхеме К525ПС2. Анализаторы 5-п гармоник предсТавляют собой активные фильтры, настроенные на частоты соответствующих гармоник. Вычислительное устройство 8 мо- жет быть как аналогового, так и цифрового

.типа. ;;;-:.:.: . . .. ..:. : .-.

Таким образом, предлагаемое способ и устройство для его реализации позволяют непосредственно в процессе технологического процесса определять индуктивности и вольт-амперные характеристики нелинейныха„ктивных сопротивлений подэлектрод- ных областей многофазной электропечи, Формул а изобретени я Способ определения индуктивностей и вольт-амперных характеристик нелинейных

активных сопротивлений подэлектродных областей многофазной электропечи, при котором измеряют мгновенные значения тока электрода i(t) и напряжения U(t) на участке цепи электрод- подина каждой из фаз злектропечи, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем определения индуктивно- ; стей и вольт-амперных характеристик нелинейных активных сопротивлений подэлектродных областей многофазной электропечи,формируют , сигналы, пропорциональные степенным функциям тока электрода каждой фазы i(t), i (t), I3(t),.... lm(t), выделяют гармонические составляющие этих сигналов напряжений U(t) на участке цепи электрод - подина каждой фазы и

по Этим выделенным гармоническим составляющим сигналов степенных функций тока электрода и сигнала напр яяоения на

участке электрод - подина каждой фазы определяют величину индуктивности и коэффициенты л, i -1,..., m, степенного ряда UR() nlI + Г212 + + ... + , представляющего вольт-амперную характеристику нелинейноги сопротивления подэлектродной области каждой из фаз многофазной электропечи, ;...;

Фиг.1

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 индуктивно- стейи 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 вольт- амперную характеристику нелинейного сопротивления подэлёктродной области каждой из фаз многофазной электропечи. 2 ил. с/ С