Способ определения индуктивностей и вольт-амперных характеристик нелинейных активных сопротивлений подэлектродных областей многофазной электропечи

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК 75683 9) (1 В 7/14 01 Я 27 Й 5) 702100 С)ПИС ИЕ ИЗС)Б С ВИДЕТЕЛ ЬСТ РЕ ТОРСКОМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР 1(71) Тульский политехнический институт (72) Н.Г,Тупиков, А.В.Лукашенков, А,А.фо. мичев и А.М.Шварев(56) Авторское свидетельство СССР В 851284, кл. 0 01 Я 27/2 б, 1979,(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНДУКТИВНОСТЕЙ И ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЛИНЕЙНЫХ АКТИВНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ. ПОДЭЛЕКТРОДНЫХ ОБЛАСТЕЙ МНОГОФАЗНОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ(57) Изобретение касается автоматического контроля и управления электрическими режимами работы электропечей и может быть использовано для определения параметров цепей подэлектродных областей многофазных электропечей переменного тока, исИзобретение относится к способам и технике определения параметров цепей подэлектродных областей многофазных электропечей и может найти широкое применение при создании систем автоматического контроля и управления электрический . режимом работы электропечей.Известны способы измерения сойро-: тивлений в многофазных электрических системах, основанные на измерении . гармонических составляющих токов и напряжений в электрической цепи. пользуемых в черной и цветной металлургии и химической промышленности, Цель изобретения - расширение функциональных возможностей определения индуктивностей и вольт-амперных характеристик нелинейных активных .сопротивлений подэлектродных областей многофазной электропечи, Формируют сигналы, пропорциональные степенный функциям тока электрода ф) каждой фа.зы (с)-(т),(т), , (1), выделяют гармонические составляющие этих сигналов исигналов напряжения на участке электрод -" подина, определяют величину индуктивности . и коэффициенты гь = 1, , т, степенного ряда Ов(т) = г 11+ Ю + +гз 1 ++ гп 1 1,.представляющего вольт 3, аамперную характеристику нелинейного сопротивления подэлектродной области каждой из фаз многофазной электропечи, 2 ил. ее близким к предлагаемому О ю является способ, реализованстве для измерения полных гарсопротивлений в многофазных их системах с нелинейными и чными нагрузками и основантральном анализе кривых оков ий в исследуемой цепи; ым недостатком известного спося многоступенчатость процесерения сопротивлений, сть определения вольт-амперНаиболизобретениный в устроймоническихэлектрическнеси мметриный на спеки напряженОсновнсоба являетса измневозможноных характеристик нелинейных активных точные и конечные продукты реакции обрасопротивлений и индуктивностей цепи, не- зуют проводящую среду, на сопротивлении обходимость включения в систему измере- которой электрическая энергия преобразу- ний двух взаимно ортогональных в-фазных ется в тепловую, то любые изменения техно- систем напряжений,чтоусложняет реализа логического режима приводят к изменению, цию,: свойств реакционной зоны как проводящейЦель изобретения - расширейие функ- среды и к изменению эквивалентных электциональных возможностей путем определе- рических параметров и характеристик цепи ния индуктивностей и вольт-амперных протекания тока в электропечи. Злектричехарактеристик нелинейных активных сопро ские параметры цепей, актйвные и реактиьтивлений подэлектродных областей много- ные сопротивления, а также напряжения на фазной электройечи ".нихнедоступны для непосредственного изПоставленная цель достигается тем, что мерения, Внешним проявлением электричесогласноспособуизмеренияэлектрических ских свойств цепей печи являются параметров, при котором измеряют мгно временные функции токов и напряжений на венные значения токов электрода ф) и на- электродах, через которые осуществляется пряжения О(т) на участке цепи электрод - подвод электрической энергии. Форма то падина каждой из.фаз, Формируют сигналы, . ков и напряжений на электродах электропепропорциональные степенным функциям чи отличается от гармонической, что тока электроуов каждой фазыобусловлено нелинейностью электрических(1),(с)"(1),: :20 цепей электропечи. Существующая в подвыделяют гармонические составляющие электродной области электрическая дуга этих сигналов и.сигналов напряжения 0(т) имеет нелинейную вольт-амперную харакна участке электрод - подина каждой фазы теристику и приводит к возникновению выи 1 оэтимвыделенным гармоййческим со- сших гармоник в токе и напряжении.ставляющим сигналовстепенных функций 25 Наиболее полной характеристикой нели- тока электрода и сигнала напряжения на нейности в.электрической цепи является ее участке электрод - йодина определяют ве- вольт-амперная характеристика, Наличие личину индуктивностии коэффициенты г 1, высших гармоник в токе и напряжении дает= 1;, ю, степенногозояда принципиальную возможность определеЦф) = г 1+ г 2 + гз ++ гп, 30 ния параметров линейных и вольт-ампер 2щпредставляющето вольт-ампернуюхаракте-. ных характеристик нелинейных элементов ристику нелинейного сопротивления под- электрических цепей электропечи,электродной .области каждой из фаз Нафиг,1 данасхемнаямодельтрехфазэлектропечи. -ной цепи электропечи, широко применяеОп-ределейие" э"лектрических"парамет мая для анализа электрического иров подэлектродных областей мйогофазныхэйергетического режимов электропечей; на электропечей является задачей, требующей фиг,2 - устройство для реализации способа, решения вомногихпрактическихслучаях,в Схема замещения (фиг.1) состоит из частности при построении автоматизиро- трех однофазных цепей, соответствующих ванных систем управления и контроля, ко электродам печи и образующих соединение торце позволяют достигнуть увеличения звездой, Внешние выводы 1-3 соответствупроизводительности печей, степени извле- ют точкам подключения токоподводов качения целевогопродуктаиснйзитьматери-. роткой сети к электродам. Цепь каждой . альные и энергетические затраты, Модель фазы представлена в виде последовательэлектрического режима электропечи зани ного соединения линейной индуктивности : мает одно из важнейшихмест в более об- Ь и эквивалентного нелинейного активного, -: щей модели технологического процесса, сопротивления йч(я), ц = 1,2,3. Индуктивпоскольку она определяет не только взаи- ность представляет собой эквивалентную мосвязь между токами и напряжениями в индуктивность электродов, ванны и взаимэлектрической цепи; распределение энер ной индуктйвности между электродами, Акгии в зонах печи, но иотражает характер тивное нелинейное сопротивление протекания технологического процесса, складывается из сопротивления подэлект-.влияние технологических параметров на роднойэоны, ванны, расплава иэлектрода, электрические. Технологический процесс в Все три фазы электропечи представлены печи реализуется за счет тепловой энергии, 55 одинаковыми по структуре схемами заме- выделяемой в подэлектродной области, со- . щения, которые имеют свои параметры и держащей исходное сырье, при протекании характеристики элементов. Поскольку в черезнее электрического тока, Поскольку подэлектродной зоне может существовать исходные шихтовые материалы, промежу- электрическая дуга, то в общем случае со.5 противление каждой фазы является нели нейным. Степень нелинейности зависит от режима работы печи. Так, при отсутствии 6(3) относительно амплитуд гармоническихсоставляющих этих сигналов:электрической дуги в подэлектродйой зоне это сопротивление будут линейным; Задача определения параметров рассматриваемой схемы модели электропечи состоит в опре-. делении вольт-амперных характеристик эквивалентных нелинейных сопротивлений 10 15 фаз Овц "- фч (ч) и линейных индуктивностейч, о = 1,2,3, на основе измерения токов электродов и напряжений на участке электрод - ,подина цепи.При измерении мгновенных значений рабочих токов электродов ф), ф), зЯ и мгновенных значений напряжений на электродах относительно подины 01(1), Оф), Оз определение параметров схемы замещения каждой фазы может выполняться неВольт-амперные характеристики неЛи нейных сопротивлений предполагаю 1"ся однозначными, что дает возможность представлять их отрезками степенных рядов 30 Уч (ч) = Х гчкч, ц = 1,2,3, (2) к=1 где гчк - неизвестные, подлежащие опреде ленйю коэффициенты степенных рядов, представляющих вольт-амперные характеристики нелинейных сопротивлений;ч. - степенные функции мгновенныхКзначений рабочих токов. " 40При условии (2) дифференциальное уравнение (1) примет вид: Неизвестные параметры фазы: индуктивность 4 и коэффициенты степенногоряда (2) гчк, К = 1, , (т), представляющего вольт-амперную характеристику нелиней ного сопротивления, входят в уравнение (3) линейно. Измеряемые сигналы рабочего тока ч(т) и напРЯжениЯ Оч(т), а также сигналы производной тока б(ч(т)/бт и степенных функций тока ч"(с) являются периодическими 55 функциями времени, ограниченными по амплитуде, и удовлетворяют условиям Дирихле. Это дает возможность разложитсяих в ряд Фурье и представить уравнение фазы зависимо от других. Схемная модель одйой 20 фазы описывается нелинейным дифференциальным уравнением41+)+й Щ-ОцЫ,а-(,2,з. )%3йс929 с 1 Р 9 Хфс тес9Эт 9,т1 ПС Р Фнс . 91 где чк", чк", К = 1, , гг) - амплитуды косийусоидальной исийусоидальной составляющих и-й гармоники степенных функций тока;ч (1), чрп, чр пРоизводной тока бчйт;О ", Оч"в - напряжения Оч(т),Составляющие и-й гармоники производной тока выражаются через составляющие тока: с Г(вв вчР - ч . чр ч 1Полученная система (4) является системой линейных алгебраических уравненийотносительно неизвестных параметров .ч,гчк. Каждая гармонйческая составляющая вносит в систему подва уравнения: для косинусоидальной и синусоидальной составляющих, Для фОрмирования матрицы коэффициентов и вектора правой части системы (4) необходимо измерение косинусоидальных и синусбйдальных составляющих гармоник тока ч(т) и его степенных функций ч (т). а также напряжения Оч(т). Практически такие измерения производятся с помощью синхронного анализатора гармонических составляющих, Система (4) имеет решение относительно (а+1) неизвестных параметров цепи: в коэффициентов степенного ряда гчк, -представляющего вольт-амперную характеристику йелинейного сопротивления, и величины индуктивности .ч. Для практического решения системы (4) относительно (а+1) неизвестных параметров ее можно Ограничить таким же числом уравнений. При этом достаточно измерение параметров гармоник, количество которых равно числу неизвестныхкоэффициентов степенного ряда, и включение в сйстему двух уравнений для первой гармоники и по одному для последующих. Решение системы (4) на микроЭВМ не представляет сложностей. Таким образом, решается задача определе-: ния параметров схемы замещения каждой фазы, В результате получают для каждой фазы значение индуктивнбстич и,. выра,ния параметРов схемы замещения каждой фазы, В результате получают для каждой фазы зйачение индуктивности Ь 1 и вььражение вольт-амперной характеристики эквиоален"гнаго нелинейного сопротивления, представленной степенным рядам ь 2), что дает возможность проводить расчет электрического и энергетического режимов и анализ технологического режима, При анализе эйергетического режима по первой гармонике полученные вольт-амперные характеристики нелинейных сопротивлений . позволяют рассчитать их "активные и реактивные сопротивления по первой гармонике; При отсутствии нелинейности в цепи палучаьот решение для частного случая - определение параметров линейной йндуктивности и линейного сопротивления"в каждой фазе,Устройство для реализации дайногоСпособа для каждой из фаз (фиг.2) состоит из датчика 1 тока, датчика 2 напряжения, нелинейных преобразователей З-К, анализаторов 5 ви гармоник и вычислительного устройства 9.Устройство работает следующим образом.Сигнал ф) с датчика 1 тока поступает на нелинейные преобразователи 3; 4, , К, которыеосуществляют операцию возведения соответственно во вторую, третью и так далеев ьт 1-ю степеньсигнала ф), В результате на выходепреобразователя 4 ПОлучают сигнал, пропорциональный квадрату тока 1 ьг), а на выходе преобразователя К - сигнал, йропорциональный п 1-й степени тока 1(1).Сигналы с нелинейных преобразователеи ,3 - К (12(1)-с, а также сигнальь непосред.ственно с датчика 1 тока ф) и с датчика 2 йапряжения О(1) поступают на анализаторы5-и гармоник, с помоььХью которььх ввделяют "амплитуды первой, второй -и так далее т-йгармонических составляющих этих сиьналов. Полученные аМплитуДььпт гаРмонических составляющих этих сигналов ,постйаютнЬ вычислительное устройство 9, в котором наоснбвайии измеренных гамо"нических составляющих напряжения О(т), .тока (1), квадрата тока 1 (1) и так далее 1 "(1) в . соответствйи с уравнением (4) определяетсявелйчйна"индуктивнастии коэффицивь ьты СТЕПЕННОГО "РЯДа"Г 1, Г 2,И Гпь, ПРЕДСтаВЛЯЮщего нелинейную вольт-амперную характеристику нелинейного сопротивления подэлектродной области;Ой(1) = г 1 + г 21 + гз 1 ++ гьп5 Технически нелинейные преобразователи 3 - К могут быть реализованы на основе стандартных перемножителей сигналов, например, на интегральной микросхеме К 525 ПС 2. Анализаторы 5-и гармоник пред ставляют собой активные фильтры, настроенные на частоты соответствующих гармоник. Вычислительное устройство 8 может быть как аналогового, так и цифрового типа.15 Таким образом; предлагаемое способ иустройство для его реализации позволяют непосредственна в процессе технологического процесса определять индуктив ности и вольт-амперные характеристики нелиней ных активных сопротивлеььий подэлектрадных областей мнагофазной электропечи,Формула изобретения Способ определения индуктивностей ивольт-амперных характеристик нелинейных 25 активных сопротивлений подэлектродныхобластей многофазной электропечи; при котором иэмеряьат мгновенные знач 8 ния тока электрода ф) и напряжения Щ) на участке цепи электрод- подина каждой из фаз элек- ЗО тропечи,отличающийся тем,что,сцелью расширения функциональных возможностей путем определения индуктивно-стей и вольт-амперных характеристик нелинейных активных сопротивлений под электродных областей многофазной электропечи, формируьот, сигналы, прапарьлиональные степенным функциям тока электрода каждой фазы(1),1 ф 1 с), , 11,1), выделяют гармоьлические составляю щие этих сигналов напряжений Ц) на участке цепи электрод - подина каждой фазы и по этим выделенным гармоническим составляющим сигналов степенных функцийтока электрода и сигнала напряжения научастке электрод - подина каждой фазы определяьот величину индуктивности и коэффициенты гь, =1,., пь, степеьььлого ряда Ов2 3 пь= г 11+ г 21 + гз ++ М, представляющего аольт-амперную характеристику нелинеи ного сопротивления подэлектродной области каждойиэ фаз многофазнойэлектропечи,.Ливринц еда Заказ 3086 ВНИИПИ Тираж ., Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 водственно-издательски инат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101