Разработка информационно-измерительной системы контроля полезной мощности печи сопротивления, страница 4

Предложена методика использования данных, получаемых от системы мониторинга, для постоянного контроля электрического сопротивления печи и других электрических параметров плавильной печи при условии их периодической регистрации [2].

Для расчёта неизвестных электрических параметров печи сопротивления необходимо построить электрическую модель (схему замещения) печной установки. Электрическая модель печи должна строиться на основе учета конструкции загруженной печи. Распределённая проводящая структура плавильной печи образована следующими элементами:

- слой графита, в котором происходит преобразование электрической энергии в тепловую энергию;

- слой шихты, из массы которой в процессе разогрева образуется блок, состоящий из кристаллов карбида кремния;

- изоляционная подложка из слоя шихты и шамотного кирпича;

- стальное основание (каркас) плавильной печи, который заземляется.

Каждый из перечисленных выше элементов обладает определённой проводимостью, причем первым двум элементам присуще свойство существенно изменять свою проводимость в процессе плавки, так как у них динамически изменяются массовые и физико-химические характеристики.

Дискретную модель проводимости слоистой структуры в целом можно представить в виде лестничной схемы, состоящей из множества сопротивлений двух видов: сопротивлений растущего блока из графитового слоя  и сопротивлений утечки тока через слой подложки и основание каркаса . Электрическая схема модели печи, подключённой к плавильному трансформатору, приведена на рис. 2.10.

Рисунок 2.10 − Электрическая схема модели печи, подключённой к плавильному трансформатору

В процессе плавки, как показывает опыт, сопротивления  претерпевают существенные изменения и могут иметь различные величины вдоль оси печи. Факт зависимости сопротивления первых двух слоев от времени целесообразно выразить в виде зависимости . Сопротивления  на протяжении плавки относительно стабильны, так как они являются параметрами элементов печи, не участвующих в физико-химических реакциях.

Система автоматического сбора измерительной информации о плавке регистрирует некоторые электрические параметры печной установки (рис. 2.1). Ограниченная измерительная информация позволяет оценить параметры печи только для упрощённой электрической модели, которая приведена на рис. 2.11. Характер реактивной составляющей сопротивлений в электрической схеме замещения заранее не известен. Предполагалось, что печь, образованная двумя электродами и слоем шихты между ними, должна обладать активно-емкостной нагрузкой. Остальные сопротивления приняты как активно-индуктивные. Потери в трансформаторе и короткой сети учтены путём введения сопротивления . Предлагаемая схема замещения отличается от описанной в [56] тем, что учитывает утечки тока через металлическое основание печи.

Рисунок 2.11 − Упрощённая электрическая схема печи сопротивления

С учётом измеряемых электрических параметров на низкой стороне трансформатора схема замещения примет вид:

Рисунок 2.12 − Электрическая схема печи сопротивления, подключённой к плавильному трансформатору

На схеме замещения сопротивления Z_A, Z_B характеризуют сопротивление шихты и керна, Z_Т − сопротивление короткой сети трансформатора, Z₁, Z₂, Z₃ − сопротивления каркаса печи, через который происходят утечки тока.

Система уравнений для упрощённой электрической схемы, составленная по методу контурных токов:

где

Имеющаяся измерительная информация позволяет записать дополнительные уравнения, выразив некоторые неизвестные электрические параметры через измеряемые. Пренебрегая потерями холостого хода и короткого замыкания трансформатора, которые для данного трансформатора составляют в сумме менее 1% и практически не зависят от ступени трансформатора, можно записать уравнение для вторичного тока трансформатора:

Угол φ можно найти из экспериментальных данных по измеряемому cosφ на стороне высокого напряжения трансформатора.

Для контурных токов и  исходя из схемы замещения (рис. 2.11) путём подстановки измеряемых величин тока и напряжений можно записать следующие выражения: