Научно-технический и производственный журнал.
Издается с января 1958 года. Индекс: 70383
ISSN 2410-2091 (Online), ISSN 0368-0797 (Print)
 
 
 
 

Послать статью

 

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

стр. 571-577

Авторы: Башкатова А. В.1, Дмитриевский Б. С.1

1 Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина (392000, Россия, Тамбов, ул. Интернациональная, 33)
Башкатова А. В. - аспирант кафедры "Информационные процессы и управление" (email: atom1299@yandex.ru)
Дмитриевский Б. С. - д.т.н., доцент, профессор кафедры "Информационные процессы и управление" (email: dmiboris@yandex.ru)

Аннотация: В статье представлен один из возможных вариантов формирования математической модели дуговой сталеплавильной печи (ДСП). С целью построения модели, наиболее точно отражающей поведение объекта управления – ДСП, изучены работы по данной тематике и сформированы основные принципы построения, состоящие в том, что в качестве основы использована схема замещения электрической цепи установки, а для получения математической модели дуги использовано нелинейное дифференциальное уравнение Касси для проводимости, получившее наибольшую популярность среди исследователей. Актуализация модели обеспечена расчётами параметров электрической цепи на вторичной стороне низкого напряжения трансформатора и использованием данных, представленных в работах отечественных и зарубежных исследователей. Для исследования поведения объекта в разные моменты времени технологического процесса использованы различные значения «постоянной времени» проводимости дуги. Это позволило учесть не стационарность состояния приэлектродных областей, подверженных влияниям внешних возмущающих воздействий и изменениям температуры, давления и состава газовой смеси в ходе технологического процесса. Такой подход дал возможность сформировать целостную картину поведения объекта в условиях нестационарного состояния области горения дуг на разных этапах плавки, оценить возможные параметры регулирования и определить требования к системе управления. Сформирована базовая структура модели трехфазной дуговой печи переменного тока. Все необходимые расчеты элементов цепей и моделирование производилось с использованием пакета MATLAB Simulink. Структурная схема включает в себя источник переменного напряжения, активные сопротивления и индуктивности трансформатора на вторичной стороне и короткой сети, модель электрической дуги переменного тока. Модель использована для анализа динамических характеристик дуги как электрического объекта, а именно зависимости напряжения от тока – вольтамперной характеристики (ВАХ). Форма ВАХ определяет характер горения дуги, область существования, устойчивость и, соответственно, качество управления. Исследованы ВАХ при разных значениях напряжений на вторичной стороне трансформатора и длинах дуг и для разных значений «постоянной времени проводимости дуги». Модель использована также для анализа статических характеристик, показано, что зависимости длины дуги от тока для разных напряжений ступеней трансформатора проявляют нелинейный характер. Даны рекомендации по выбору управляющих воздействий и построению систем управления для разных этапов плавки. Например, на начальной стадии плавления система управления должна выполнять задачи минимизации числа обрывов при условии незначительной области существования дуги и ограничивать значение вводимой мощности. Результаты моделирования показывают, что не стационарность процесса приводит к необходимости применения адаптивных систем управления способных подстраиваться под непрерывно изменяющееся состояние объекта.

Ключевые слова: дуговая сталеплавильная печь, математическая модель, электрическая дуга, объект управления, структурная схема, схема замещения, статическая характеристика, динамическая характеристика

DOI: 10.17073/0368-0797-2019-7-571-577

Библиография:
  1. Электрические промышленные печи: Дуговые печи и установки спе-цального нагрева: Учебник для вузов / А.Д. Свенчанский, И.Т. Жердев, А.М. Кручинин и др.; Под ред. А.Д. Свенчанского. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоиздат, 1981. – 296 с.
  2. Gelada J. Electrical analysis of the steel melting arc furnace // Iron and Steel Engineer.1993. Vol.70. No. 5. P. 35-39.
  3. Моделирование электротехнических комплексов металлургических предприятий: учеб. пособие / Г.П. Корнилов, А.А. Николаев, Т.Р. Храмшин. –  Магнитогорск: Изд-во Магнитогор. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. – 235 с.
  4. Плазменные электротехнологические установки: Учебник для вузов / В.С. Чередниченко, А.С. Аньшаков, М.Г. Кузьмин; Под ред. В.С. Че-редниченко. – 3 изд., испр. и доп. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. – 602 с.
  5. Ozgun O., Abur A. Development of an Arc Furnace Model for Power Quality Studies // Power Engineering Society Summer Meeting. 1999. No. 1. Р. 507–511.
  6. Короткие сети и электрические параметры дуговых электропе­чей: Справочник / Я.Б. Данцис, Л.С. Кацевич, Г.М. Жилов и др.; под ред. Я.Б. Данциса. – М.: Металлургия, 1987. – 320 с.
  7. Егоров А.В. Электроплавильные печи черной металлургии: Учебник для вузов.  – М.: Металлургия, 1985. – 280 с.
  8. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: учебник для бакалавров. – 12 изд., исправ. и доп. – М.: Издательство Юрайт, 2014. – 701 с.
  9. Cassie A.M. A new Theory of Arc Rupture and Circuit Severity // CIGRE. 1939. No. 102. P. 1-14.
  10. Bowman B., Kruger K. Arc Furnace Physics. Dusseldorf: Verlag Stahleisen GmbH, 2009. – 245 p.
  11. Кацевич Л.С. Расчет и конструирование электрических печей. – М.: Госэнергоиздат, 1959. – 440 с.
  12. Дуговые электропечи: учебное пособие для вузов по направлению «Электроэнергетика и электротехника» / Алиферов А.И., Бикеев Р.А., Горева Л.П. и др. –  Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018. – 204 с.
  13. Колчеганов Р.В., Купова А.В., Дерюжкова Н.Е. Модель дуговой сталеплавильной печи в MatLab // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 5-1. С. 50 – 51.  
  14. Пентегов И.В. Математическая модель столба динамической электрической дуги // Автоматическая сварка. 1976. № 6. С. 8 – 12.
  15. Richardson G.D. Physycal Chemistry of Melts in Metallurgy. - N.Y.: Acad. Press. 1974. Vols. 1, 2.
  16. Ting W., Wennan S., Yao Z. A New Frequency Domain Method for the Harmonic Analysis of power system with Arc Furnace // 4th international conference on advances in power system control. 1997. Р. 552–555.
  17. Cavallini A., Montanari G.C., Pitti L., Zaninelli D. ATP simulation for arc furnace flicker investigation // ETEP.1995. Vol. 5. No. 3. P. 235–241.
  18. Collantes-Bellido R., Gomez T. Identification and modeling of a three phase arc furnace for voltage disturbance simulation // IEEE Transactions on Power Delivery.1997. Vol. 12. No. 4. P. 1812-1817.
  19. Heydt G.T., O’Neill-Carrillo E., Zhao R.Y. The modeling of nonlinear loads as chaotic systems in electric power engineering // Proc. Of the IEEE/PEC International Conference on Harmonics and Quality of Power. Las Vegas.1996. P. 704-711.
  20. Higgs R.W. Sonic Signature Analysis for Arc Furnace Diagnostics and Control // Proc. of Ultrasonics Symposium. Milwaukee. 1974. P. 653-663.

Дата поступления: 09.04.2019

Главный редактор

Леонтьев Леопольд Игоревич

Главный редактор Известия вузов Черная металлургия