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《东北大学》 2009年
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交流电弧炉电弧模型研究及其应用

王琰  
【摘要】:在电弧炉运行过程中,由于电弧电阻的非线性,导致线路中的电流波形发生畸变,产生谐波;在熔化期内,由于电弧弧长的剧烈波动,造成线路中的电流随机变化,导致无功功率对电网产生强烈冲击,从而引起电网的电压波动和闪变。特别是近些年来,随着电弧炉容量和功率的不断增大,电弧炉对电网的危害日益严重。建立精确、实用的电弧模型,对于研究和解决由电弧炉引起的供电系统电能质量问题有着重要的实际意义。同时,精确、实用的电弧模型也为建立电弧炉电极系统模型奠定了基础。电极系统是电弧炉炼钢的关键环节,它是一个具有高度非线性、时变性、耦合严重和随机干扰强的系统。电极系统工作不稳定将导致吨钢电耗增加,炼钢效率下降,并且影响电网的电能质量。利用电极系统模型可以研究性能优越的电极控制算法。本文以40吨交流电弧炉为研究背景,对交流电弧炉电弧模型的建立、模型参数的确定及模型应用进行了研究。 针对已有的电弧模型缺乏通用性且物理意义不明确等问题,首先研究了电弧的阻抗特性,给出了操作电抗大于短路电抗的原因。根据能量守恒定律和相关的电弧物理知识,以电弧电导作为状态变量,电弧瞬时电流和弧长作为输入量,建立一个用非线性微分方程描述的交流电弧炉电弧时域模型。 针对电弧模型参数难以确定的问题,通过机理分析,推导出了电弧模型参数的变化范围。在模型参数变化范围内,采用自适应变异差分进化算法辨识电弧模型参数值,有效地提高了辨识的速度和精度。通过与校验数据进行对比,证明了所提出参数确定方法的正确性。 针对电弧炉引起的电能质量问题,将供电系统模型与新建的电弧模型相结合,建立了电弧炉电气系统模型。在此基础上,对电能质量问题进行仿真分析;通过与实测数据进行对比,表明新的电弧模型既可用于谐波分析,又可用于电压波动和闪变的研究。以改善电能质量为目标,将晶闸管控制电抗器(TCR)和固定电容器(FC)配套使用,设计了TCR+FC型静态无功补偿装置(SVC),仿真结果表明所设计方案的有效性。 为了研究电弧炉电极系统模型,首先建立液压系统模型。通过液压缸活塞位移与电弧长度之间的关系,将液压系统模型与电气系统模型相连接,构建了电极系统模型。将整个电极系统模型作为被控对象,结合电弧炉冶炼进程特点,并考虑电极系统自身特性以及变论域模糊控制和死区导致的稳态误差问题,设计了变论域模糊积分复合控制器。通过仿真和现场实际应用,证明所设计的控制器是合理的,也说明所建立的电弧模型可以用于电极系统模型及控制研究中。
【学位授予单位】:东北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TM924.4

【引证文献】
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