Методи та засоби підвищення ефективності систем електроживлення феросплавних печей

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 621.35.035; 621.365.2

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Методи та засоби підвищення ефективності систем електроживлення феросплавних печей

Спеціальність 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи

Кухарєв Олексій Леонідович

Харків - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електроенергетики Української інженерно-педагогічної академії Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

Артюх Станіслав Федорович,

Українська інженерно-педагогічна академія, м. Харків,

завідувач кафедри електроенергетики

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Труфанов Іван Дмитрійович,

Запорізький національний технічний університет, м. Запоріжжя,

професор кафедри електричних апаратів

кандидат технічних наук, доцент,

Воінов Володимир Павлович,

Національний технічний університет

«Харківський політехнічний інститут», м. Харків,

доцент кафедри автоматизованих електромеханічних систем

Захист відбудеться “ 12 ” березня 2009 р. о 14.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.04 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий “ 30 ” січня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О. В. Осичев

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасні технології виробництва сталей вимагають наявності різноманітних видів феросплавів, що використовуються у металургійному процесі для розкислення та придання легуючих властивостей виплавлюваному металу. Більшість феросплавів виробляють електротермічним способом у спеціальних феросплавних електропечах, одиничні потужності яких на Україні досягли 80 МВА.

Продуктивність й інші техніко-економічні показники печей багато в чому визначаються режимом роботи їхньої системи електроживлення (СЕЖ), а також розподілом електричної енергії по зонах плавильного простору печі. СЕЖ феросплавних печей мають низку особливостей, обумовлених зміною технологічних параметрів печі в процесі плавки: різкозмінний характер електричного режиму; часті перемикання ступенів напруги, кількість яких досягає декількох сотень у добу; часті комутації електропічних трансформаторів і конденсаторних батарей. Всі названі вище фактори висувають підвищені вимоги до надійності й ефективності СЕЖ феросплавних печей, до забезпечення раціональних режимів їх електроспоживання, й вимагають комплексного розгляду процесів, що протікають у феросплавних печах та режимів роботи їхніх СЕЖ.

У цей же час існуючі електромеханічні пристрої регулювання напруги під навантаженням (РПН) з гасінням дуги в маслі або у вакуумі характеризуються недостатньою електричною зносостійкістю, що приводить до їхніх частих пошкоджень та істотно зменшує ресурс таких СЕЖ й погіршує умови їхньої експлуатації. Подальше вдосконалення СЕЖ печей пов'язане з використанням принципів бездугової комутації, одним з яких є використання тиристорно-контакторних перемикаючих пристроїв (ТКП), що дозволяє забезпечити електричну зносостійкість до рівня декількох мільйонів перемикань й можливість їхнього використання в існуючих електропічних трансформаторах (ЕПТ) без серйозних конструктивних змін останніх. Однак існуючі технічні рішення у тиристорних перемикаючих пристроях не повною мірою задовольняють вищевказаним вимогам, особливо в частині комутаційної надійності, у зв'язку з наявністю значних кидків струму намагнічування реактора РПН при перемиканні відводів регулювальної обмотки (РО) ЕПТ.

Тому рішенню низки цих актуальних питань присвячена дана дисертація, у якій здобувач пропонує вдосконалені схемні й алгоритмічні рішення тиристорно-контакторних пристроїв РПН, моделі й комп'ютерні програми, які дозволяють проводити розрахунки стаціонарних і динамічних режимів СЕЖ у комплексі з енергетичними процесами, що протікають у феросплавних печах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає науковому напряму кафедри електроенергетики Української інженерно-педагогічної академії „Підвищення надійності й економічності систем електропостачання промислових підприємств”. Здобувач був виконавцем науково-дослідної теми кафедри електроенергетики Української інженерно-педагогічної академії „Діагностика та енергозбереження при експлуатації електроустановок” та науково-дослідних тем ВАТ „Стахановський завод феросплавів”: „Дослідження комутаційних процесів в електропічних трансформаторах феросплавної печі № 6”, „Розробка принципових схем тиристорно-контакторних пристроїв регулювання напруги електропічних трансформаторів ЕОЦНК-21000/10”, „Дослідження режимів роботи феросплавних печей № 4 і №6”.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ресурсу та покращення функціонування систем електроживлення феросплавних печей шляхом використання розвинутих методів аналізу їх стаціонарних і динамічних режимів роботи та модернізації тиристорно-контакторних пристроїв регулювання напруги електропічних трансформаторів.

Для досягнення зазначеної мети в роботі поставлені наступні завдання:

1. Провести детальний аналіз режимів роботи СЕЖ феросплавних печей та існуючих способів і пристроїв регулювання напруги в електропічних трансформаторах.

2. Удосконалити схеми електроживлення феросплавних печей на базі тиристорно-контакторних пристроїв регулювання напруги.

3. Розвинути методи розрахунку стаціонарних і динамічних режимів феросплавних печей шляхом розробки комплексу комп'ютерних моделей СЕЖ та електричного кола феросплавної печі з урахуванням необхідних компонентів алгоритмічного й програмного забезпечення.

4. Провести дослідження електромагнітних процесів у запропонованих СЕЖ в стаціонарних і динамічних режимах їхньої роботи, виконати аналіз енергетичних характеристик СЕЖ феросплавних печей та розробити алгоритми керування тиристорно-контакторними пристроями, які забезпечують відсутність кидків струму намагнічування реактора РПН при перемиканні ступенів напруги в ЕПТ.

5. Впровадити запропоновані методики та технічні засоби в практиці проектування й експлуатації СЕЖ феросплавних печей.

Об'єкт дослідження - системи електроживлення феросплавних печей з тиристорно-контакторними пристроями РПН.

Предмет дослідження - стаціонарні та динамічні режими систем електроживлення з урахуванням енергетичних показників феросплавних печей.

Методи дослідження. Стаціонарні режими СЕЖ та ТКП досліджувалися з використанням класичних методів розрахунку електричних кіл. Електромагнітні процеси у динамічних режимах СЕЖ досліджувалися методами комп'ютерного моделювання у середовищі Matlab/Simulink. Математична модель дуги в феросплавній печі представлена нелінійним динамічним опором, параметри якого визначалися з використовуванням чисельно-аналітичних методів, та методів фізики газового розряду. Для підтвердження теоретичних положень дисертації проводилися експериментальні дослідження в діючих СЕЖ феросплавних печей з використанням сучасних вимірювальних приладів та застосуванням статистичної обробки результатів експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Виведено аналітичні співвідношення для схемотехнічної та алгоритмічної побудови тиристорно-контакторних пристроїв в ЕПТ із струмообмежувальними реакторами РПН.

2. Удосконалено методику аналізу стаціонарних режимів СЕЖ феросплавних печей, яка на відміну від існуючих враховує зміни параметрів електропічних трансформаторів, параметрів пристроїв компенсації реактивної потужності й електричних параметрів печі при перемиканні ступенів напруги.

3. Удосконалено математичну модель електричного кола феросплавної печі на основі чисельно-аналітичного рішення рівняння енергобалансу стовпа дуги, що дозволяє додатково визначати теплофізичні, електрофізичні й геометричні параметри дугового розряду змінного струму.

4. Уперше розроблено комплексні комп'ютерні моделі СЕЖ феросплавних печей у середовищі Matlab/Sіmulіnk 6.5 й 7.0, що включають підмодели трансформаторних агрегатів й електричного кола феросплавної печі з нелінійною енергетичною моделлю дуги змінного струму. Для аналізу комутаційних процесів моделі СЕЖ забезпечують адекватне врахування нелінійних характеристик намагнічування та ємностей трансформаторів і реакторів. Розроблено програмні модулі, що дозволяють автоматизувати процедуру параметричного аналізу стаціонарних і динамічних режимів СЕЖ феросплавних печей.

5. Отримано графічні залежності, які уточнюють якісні та кількісні взаємозв'язки характеристик СЕЖ з параметрами розподілу електричної енергії у ванні печі при регулюванні напруги в електропічних трансформаторах.

6. Встановлено зони комутації тиристорних комутаторів (ТК), що забезпечують відсутність кидків струму намагнічування реактора РПН при перемиканні ступенів напруги в ЕПТ.

Практичне значення одержаних результатів. Удосконалено схеми електроживлення феросплавних печей на основі застосування тиристорно-контакторних пристроїв РПН в електропічних трансформаторах, що дозволяють підвищити їхній ресурс по електричній зносостійкості до рівня, порівнянного з їхньою механічною зносостійкістю. Розроблено алгоритми й схеми керування ТК, що дозволяють обмежити перевантаження напівпровідникових й електромагнітних елементів у СЕЖ, й таким чином значно зменшити електродинамічні зусилля в обмотках трансформаторів і реакторів при перемиканні ступенів напруги. Запропоновані технічні рішення дозволяють збільшити міжремонтні інтервали, зменшити обсяги ремонтних робіт й відповідно скоротити експлуатаційні витрати. Новизна та оригінальність схемотехнічних рішень підтверджена патентами України.

Запропоновані комп'ютерні моделі дозволяють розглядати СЕЖ і феросплавну піч, як єдину динамічну систему, розраховувати симетричні й несиметричні режими систем електроживлення феросплавних печей, проводити аналіз розподілу електричної енергії у ванні печі, що забезпечує оперативну інформацію для вибору раціональних електричних режимів печей з метою підвищення ефективності їхньої роботи. Розроблені моделі й програмні модулі також дозволяють істотно підвищити ефективність процесів розрахунку й аналізу стаціонарних і перехідних режимів СЕЖ, як на стадіях проектування, так і експлуатації.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень використані ВАТ „Український науково-дослідницький, проектно-конструкторський й технологічний інститут трансформаторобудування” (м. Запоріжжя) при проектуванні та розробці промислових зразків тиристорно-контакторних перемикаючих пристроїв, що впроваджені у СЕЖ ВАТ „Стахановський завод феросплавів”. Розроблені методики також використаються на ВАТ „Стахановський завод феросплавів” при аналізі й керуванні режимами роботи існуючих СЕЖ феросплавних печей. Окремі матеріали дисертації використовуються в навчальному процесі на кафедрі електроенергетики Української інженерно-педагогічної академії.

Особистий внесок здобувача. Всі положення дисертаційної роботи, які виносяться на захист, розроблені здобувачем особисто. Серед них: аналітичні співвідношення для розрахунку стаціонарних процесів у СЕЖ та процесів у ТКП, розробка комплексу комп'ютерних моделей СЕЖ та необхідних компонентів алгоритмічного й програмного забезпечення, обчислення енергетичних характеристик СЕЖ феросплавних печей, визначення зон комутації ТК, розробка алгоритмів і технічних засобів для обмеження кидків струму намагнічування реактора РПН при перемиканні ступенів напруги в ЕПТ.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові та практичні положення дисертації доповідалися й обговорювалися на: Міжнародній науково-технічній конференції „Електротехніка й електромеханіка” (Миколаїв, 2004р.), 4-й Міжнародній науково-технічній конференції „Проблеми інформатики й моделювання” (Харків, 2004р.), 9-й Міжнародній науково-практичній конференції „Трансформаторобудування-2005” (Запоріжжя, 2005р.), 4-й Міжнародній науково-технічній конференції „Інформаційна техніка й електромеханіка” (Луганськ, 2007р.).

Публікації. Основні положення та результати дисертаційної роботи опубліковано у 9 друкованих працях, з них 6 у фахових наукових виданнях та 2 патенти України на корисну модель.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновків і 8 додатків. Повний обсяг дисертації складає 209 сторінок, з них 6 ілюстрацій на 6 сторінках, 54 ілюстрації по тексту; 1 таблиця на 1 сторінці і 8 таблиць по тексту; 128 найменувань використаних джерел на 15 сторінках; 8 додатків на 40 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, відображений її зв'язок з науковими програмами, планами і темами, сформульовано мету й основні задачі дослідження, викладено наукову новизну, практичне значення одержаних результатів, а також рівень апробації результатів роботи, наведено кількість публікацій за темою дисертації і особистий внесок здобувача.

У першому розділі наведено огляд сучасного стану принципів побудови систем електроживлення феросплавних печей та показано особливості їх режимів роботи, що засновані на взаємному впливі параметрів СЕЖ та характеристик печі. При цьому одним з основних показників енергетичної ефективності комплексу „СЕЖ- феросплавна піч” є напруга на виводах ЕПТ, яка істотно впливає на параметри розподілу електричної енергії в печі між зонами дуги, шихти й розплаву, та взагалі на інтенсивність протікання електротехнологічного процесу.

Відмічено, що живлення потужних феросплавних печей у більший частині випадків здійснюється з використанням групи з трьох однофазних регулювальних трансформаторних агрегатів, що додатково містять пристрої компенсації реактивної потужності, які найчастіше відбудовуються за схемою повздовжньої компенсації у колі послідовних вольтододаткових трансформаторів (ВДТ). Існуючі електромеханічні пристрої РПН характеризуються низьким комутаційним ресурсом, що приводить до недостатньої їхньої експлуатаційної надійності, необхідності проведення частих ревізій та до зупинок печей. Про це свідчать статистичні дані, згідно з котрими пошкоджуваність пристроїв РПН становить до 70% від загальної пошкоджуваності ЕПТ. Основною причиною низького комутаційного ресурсу реакторних пристроїв РПН є відносно великий час горіння дуги у контакторі (0,02-0,07 с за одну комутацію), що зафіксовано експериментальними дослідженнями, які проведені за участю здобувача. Крім того, ці дослідження показали, що при перемиканні ступенів напруги можливе глибоке насичення магнітної системи реактора РПН та різке зменшення його опору, що приводить до кидків струму в контакторі, амплітуда яких може досягати декількох кілоампер. Протікання таких струмів підвищує зношування дугогасильних контактів (ДК) пристроїв РПН, та є небезпечним з точки зору електродинамічної стійкості обмоток реактора і регулювальної обмотки ЕПТ, що взагалі негативно впливає на ресурс СЕЖ феросплавних печей.

Виходячи з того, що підвищення ефективності функціонування СЕЖ може бути досягнуто за допомогою застосування тиристорно-контакторних перемикаючих пристроїв, в яких тиристори забезпечують шунтування ДК в моменти їхньої комутації, виконано аналіз основних напрямків досліджень і розробок ТКП за способами побудови силової схеми, керування й захисту ТК. На основі проведеного аналізу уточнено та розвинуто принципи побудови тиристорно-контакторних пристроїв в ЕПТ, основні з яких наступні: для забезпечення надійності роботи пристрою схема ТКП повинна містити мінімальну кількість ТК й механічних контактів; для забезпечення безперебійності електропостачання при відмові елементів напівпровідникової частини ТКП в пристрої РПН треба забезпечувати регулювання напруги із комутацією дугогасильними контактами не менш тисячі перемикань після відмови ТК; схема керування ТК повинна забезпечувати вмикання тиристорів у зони комутації з мінімальними перевантаженнями від струмів намагнічування реактора РПН; у ТКП, які виконуються на базі контактора з вакуумними дугогасильними камерами (ВДК), треба забезпечувати захист пристрою РПН та трансформатора при відмовах ВДК; конструктивно тиристорні блоки треба розміщати в окремих баках, що примикають до баків контактору РПН.

Показано, що методи розрахунку стаціонарних і динамічних режимів феросплавних печей та їх СЕЖ найчастіше розглядаються як два незалежних напрямки, а в існуючих моделях систем електроживлення електричне коло піделектродних зон печі не враховується. Такий підхід не дозволяє досліджувати всю гаму взаємозв'язків і взаємних впливів СЕЖ і феросплавних печей, чим підтверджується доцільність удосконалення наявних моделей СЕЖ і феросплавних печей та розроблення комплексних моделей в сучасних середовищах комп'ютерного моделювання. У зв'язку з цим сформульовано конкретні завдання щодо удосконалення та дослідження СЕЖ феросплавних печей, які наведено у розділі „Загальна характеристика роботи”.

У другому розділі розглядаються питання побудови СЕЖ феросплавних печей з ТКП. Запропоновано два варіанта удосконалених схем електроживлення печей, кожна з яких містить трансформаторні агрегати, що складаються із головного трансформатору (ГТ) і ВДТ, та пристрої повздовжньої компенсації реактивної потужності (ППК), що ввімкнено у колі первинних обмоток ВДТ. На рис. 1 наведено запропоновані схеми електроживлення печей в однолінійному виконанні.

Регулювання напруги в показаних схемах здійснюється у колі третинної (регулювальної) обмотки головного трансформатора, обмотка високої напруги (ВН) якого підключається до живильної мережі U_вн, а напруга з РО подається на первинну обмотку ВДТ, причому обмотки низької напруги (НН) ГТ і ВДТ з'єднано послідовно. Схема ТК містить зустрічно-паралельне з'єднання одноопераційних тиристорів, а система керування і синхронізації (СКС), відповідно до розроблених алгоритмів, забезпечує формування імпульсів керування необхідної форми й тривалості та подачу їх на керуючі електроди у моменти часу, що забезпечують необхідне узгодження комутацій ТК і механічних контактів та істотне зменшення часу горіння дуги на контактах ДК або ВДК. Причому важливою перевагою пропонованих схем являється забезпечення безаварійної роботи ЕПТ при відмовах напівпровідникової частини ТКП та відмовах ВДК, що забезпечується введенням додаткових контактів К_д.

У запропонованих схемах напруга на обмотці НН ВДТ геометрично підсумовується з незмінною напругою обмотки НН ГТ, таким чином на вторинних виводах СЕЖ утворюється напруга, яка виражається в комплексній формі наступною формулою

(1)

де W_внгт, W_ннгт, W_внвдт, W_ннвдт - відповідно кількість витків обмоток ВН і НН ГТ і ВДТ; W_роi - i-я секція із загального числа „р” регулювальних секцій РО; А, С_п - комутаційні функції що приймають значення „1”, „0” чи „-1” у залежності від направлення перемикання; Z_таi - комплексний опір трансформаторного агрегату.

В (1) комплексний струм обмоток НН агрегату запропоновано визначати по формулі

, (2)

де S_пт- повна потужність групи з трьох однофазних ЕПТ; к_з- коефіцієнт завантаження ЕПТ; ц_в- фазовий кут напруги ВН; U_тннххі- напруга на виводах НН ЕПТ у режимі холостого ходу; х_п- природний реактивний опір пічного контуру; хґ_с - приведений до сторони НН еквівалентний ємнісний опір ППК.

Далі у розділі виведено аналітичні співвідношення для визначення параметрів комутаційних процесів на всіх стадіях перемикання ТКП. Встановлено, що найбільші значення параметрів комутації спостерігаються при включенні ТК на положення „міст” і при вимиканні ТК для розриву „моста”. В цих режимах комплекси діючих значень робочого струму та робочої напруги ТК можна визначити вираженнями

, , (3)

де U_ст - напруга регулювальної ступені; Z_р, - опір реактору; I_нро- струм навантаження, що протікає по РО ЕПТ;

Для визначення ефективності запропонованих ТКП отримано аналітичні співвідношення зносу ДК у залежності від номінального струму пристрою РПН. Показано, що в діапазоні номінальних струмів до 1 кА застосування ТКП дозволяє забезпечити ресурс по електричній зносостійкості не менше 0,5 мільйона перемикань, що набагато перевищує ресурс існуючих пристроїв РПН з гасінням дуги в маслі або у вакуумі.

На підставі отриманих математичних виразів в системі комп'ютерної математики MathCAD розроблено програмні модулі, що дають можливість розрахунку стаціонарних режимів СЕЖ й режимів ТКП, на стадіях як проектування, так й експлуатації.

У третьому розділі розглянуто питання створення комп'ютерних моделей СЕЖ феросплавних печей, що використовуються для аналізу стаціонарних та перехідних електромагнітних процесів у середовищі Matlab/Simulink. Показано, що формування комплексних комп'ютерних моделей СЕЖ доцільно виконувати з урахуванням принципів декомпозиції у вигляді підмоделей системи зовнішнього електропостачання, електропічних трансформаторів, вторинного струмовідводу та феросплавної печі. Це дає змогу розглядати СЕЖ і феросплавну піч, як єдину динамічну систему, а також дозволяє оперативно коригувати та налагоджувати підмоделі згідно з розрахунковими умовами.

Модель феросплавної печі представлена у вигляді електричного кола, що враховує активно-індуктивний опір електродів та послідовне з'єднання активних опорів областей електричної дуги та розплаву, а також опір шихтової провідності. Система рівнянь такого електричного кола має вигляд

(4)

де u_пі(t)- напруга, що підводиться до печі; і_пі, і_ді, і_ші - струми, що проходять по електроду печі, дузі й шихті; r_еі, L_еі- активний опір й індуктивність електродів печі; r_рі, r_ші- опори розплаву й шихти; r_д(t)- динамічний опір дугового розряду; і= 1, 2, 3 - номер фазного кола.

Показано, що в моделях феросплавних печей перспективним є використання енергетичних моделей дугового розряду, що дозволяє розглядати дугу не тільки як нелінійний елемент електричного кола, але й додатково визначати електрофізичні, теплофізичні, та геометричні її характеристики, які необхідні для глибинного аналізу протікання електротехнологічного процесу.

Для забезпечення стійкості обчислювального алгоритму моделі феросплавної печі, як складової частини комплексної моделі СЕЖ, у дисертації модель дугового розряду сформовано на підставі чисельно-аналітичного рішення рівняння балансу енергії стовпа дуги при наступних припущеннях: плазма дуги перебуває в стані локальної термодинамічної рівноваги; не враховуються процеси, що протікають у приелектродних областях, а також вплив власного магнітного поля й скін-ефекту; вважається, що визначальним механізмом відводу тепла з дуг являється випромінювання; стовп дуги приймається однорідним, а розподіл температури й концентрації заряджених часток по обсязі дуги приймається рівномірнім. При даних припущеннях баланс енергії стаціонарного дугового розряду може бути записано в такому вигляді

, (5)

де U_д- напруга на дузі, В; r_д- опір стовпа дуги, Ом; V_вип - об'єм випромінювання дуги, м³; Q_вип- потужність випромінювання одиниці об'єму стовпа дуги, Вт/м³; Т- температура стовпа дуги, К.

Рішення цього рівняння виконувалось за наступним алгоритмом:

- існуючі термодинамічні характеристики Si:O:C плазми апроксимовані поліномінальними функціями;

- просторова модель дугового розряду представлена у вигляді кулястого слою, обмеженого площинами катодної та анодної зон дуги, що найбільш відповідає умовам горіння дуги у феросплавних печах та підтверджено сучасними фотографічними дослідженнями дугового розряду.

- температура та питома електропровідність плазми дугового розряду визначалися на підставі чисельного рішення рівняння балансу енергії дуги для одиниці об'єму стовпа дуги за допомогою системи рівнянь

(6)

де Tґ, А- параметри апроксимації термодинамічної характеристики випромінювання Q_вип(Т); Е- напруженість електричного поля в стовпі дуги; В, С, D-параметри апроксимації термодинамічної характеристики питомої електропровідності плазми у(Т).

На підставі прийнятих положень аналітично отримано співвідношення для визначення електричного опору, температури, об'єму, радіуса і довжини стовпа дуги змінного струму. Так, електричний опір стовпа дуги визначиться формулою

, (7)

де С- коефіцієнт, який ураховує геометричні характеристики прийнятої просторової моделі дугового розряду, відповідно з роботами Кулініча В. І.; R_д - радіус стовпа дуги, м; t- модельний час, с.

На підставі отриманих математичних співвідношень з використанням відповідних математичних операторів й моделей електротехнічних елементів з бібліотек пакета Simulink, розроблено структурні схеми комп'ютерних моделей СЕЖ триелектродних феросплавних печей. Загальну структурну схему комп'ютерної моделі СЕЖ наведено на рис. 2. На схемі: 3-Phase Source- підмодель системи зовнішнього електропостачання, EPT- підмоделі електропічних трансформаторів, Z_i- опори вторинного струмовідводу, Furnace- підмодель феросплавної печі.

Відмічено, що при досліджені швидкоплинних комутаційних процесів, а також процесів у ТКП, модель СЕЖ доцільно представляти однофазною схемою заміщення та заміняти коло навантаження феросплавної печі еквівалентним активно-індуктивним опором, при цьому ТК можуть бути замінені ідеальними ключами. На підставі цих припущень у дисертації створено комп'ютерну модель СЕЖ, що додатково враховує нелінійні характеристики намагнічування та ємність трансформаторів і реактора РПН. Структурну схему такої моделі наведено на рис. 3.

З метою автоматизації процесу параметричного аналізу режимів роботи СЕЖ феросплавних печей у середовищі Matlab розроблено необхідні алгоритми й програмні модулі, які засновані на циклічному запуску Simulink -моделей з наступною обробкою числових даних та формуванням графіків залежностей необхідних параметрів СЕЖ. Використання розроблених моделей і програмних модулів дозволяє скоротити часові витрати при аналізі стаціонарних та динамічних режимів СЕЖ більш ніж на 50%.

Четвертий розділ присвячений аналізу результатів моделювання електромагнітних процесів у СЕЖ феросплавних печей. У якості об'єкту дослідження були обрані СЕЖ феросплавних печей ОКБ-613, що містять три однофазні електропічні трансформатори ЕОЦНК- 21000/10 сумарною потужністю 27,5МВА. При побудові залежностей параметрів СЕЖ прийнята стратегія поетапної зміни одного з факторів при незмінності інших.

Як приклад, на рис. 4 наведено графіки кривих напруги й струму цієї феросплавної печі для умов виплавки кремнію або високопроцентних марок феросиліцію. Як видно, криві струмів печі практично синусоїдальні, а криві напруг дещо відрізняються від синусоїдальних, що добре збігається з відомими осцилограмами електричних параметрів феросплавних печей. При прийнятих умовах моделювання сумарна потужність дугового розряду в печі становить ~ 50% від всієї потужності СЕЖ. На підставі отриманих характеристик показано, що при збільшенні напруги на печі загальна потужність СЕЖ збільшується, а ККД й cosц знижуються. При цьому більша частина потужності печі перерозподіляється із зони шихти в зону дуги й розплаву. Причиною зазначених особливостей є нелінійність характеристик електричної дуги, опір якої з ростом напруги зменшується, а зростання струму дуги відбувається за рахунок збільшення радіуса її струмопровідного каналу.

Для забезпечення комутаційної стійкості запропонованих ТКП наведено результати досліджень процесів намагнічування реактора пристрою РПН та процесів відновлювання напруги на ТК при перемиканні відводів регулювальної обмотки ЕПТ. На рис. 5 наведено результати моделювання процесу включення ТК на положення „міст” у ТКП трансформатору ЕОЦНК-21000/10. Приведення отриманих даних до порівнянного виду використовувалось за допомогою коефіцієнту перевищення амплітуди струму через реактор і_a відносно амплітудного значення номінального струму реактора і_aн: К_па= і_a/ і_aн.

Відзначено, що значний вплив на ступінь насичення реактора й величини кидків струму мають кут комутації ТК, величини й фази живлячої напруги й струму навантаження. Згідно з отриманими характеристиками встановлено наступне:

- збільшення величини живлячої напруги та стуму навантаження приводить до збільшення кидків стуму намагнічування реактора;

- при зменшенні коефіцієнту потужності печі кидки струму збільшуються при перемиканні відводів на пониження напруги, та зменшуються при перемиканні відводів на підвищення напруги;

- кидки струму в пристроях РПН виникають при включенні ТК у комутаційні інтервали, які відрізняються від моментів перетинання (Т.п.1,2) кривих поточного потокозчеплення Ш₀ й сталого потокозчеплення Ш_с після комутації ТК, яке визначається вольт-секундним інтегралом напруги регулювальної ступені (рис. 6).

Для ліквідації перевантажень, що виникають внаслідок появи кидків струму намагнічування реактора, проведено моделювання процесів вмикання ТК у різних режимах роботи СЕЖ, та побудовано зони комутації ТК, при яких процес насичення реактора відсутній і коефіцієнт перевищення амплітуди струму К_па <1 (рис. 7). З врахуванням того, що у найбільш характерних режимах феросплавних печей значення коефіцієнта потужності СЕЖ становить 0,7- 0,9, доведено, що значне обмеження кидків струму намагнічування може бути досягнуто за допомогою включення ТК у фіксовані кути відносно фази напруги РО. На цьому принципі було сформовано відповідні алгоритми роботи системи керування ТКП.

Далі на підставі досліджень процесів відновлювання напруги на ТК показано, що характер цих процесів багато в чому визначається ємністю реактора, а амплітуди комутаційної напруги у робочих режимах ЭПТ не перевищують 1,7в.о.

На підставі аналізу результатів моделювання комутаційних процесів відзначено некритичність використовуваних потужних тиристорів до динамічних параметрів dі/dt й du/dt, та отримано основні розрахункові співвідношення для вибору й перевірки тиристорів при проектуванні ТКП.

У п'ятому розділі приводяться результати експериментальних досліджень комутаційних процесів в електропічних трансформаторах ЕОЦНК-21000/10 з пристроями РПН РНО-20А-625/35 при перемиканні відводів РО. По результатах цих досліджень уточнені такі параметри комутації як струм, напруга, час горіння дуги в контакторі, та підтверджені розрахункові значення кутів вмикання ДК на положення „міст”, при яких насичення магнітної системи реактора РПН відсутнє.

На підставі порівняння результатів розрахунку стаціонарних та динамічних режимів СЕЖ з експериментальними даними показано, що середня їх розбіжність не перевищує 10%. Це підтверджує правильність отриманих моделей та достатність прийнятих припущень.

Цій розділ також присвячений практичної реалізації ТКП, що мають спеціальні схеми керування, які забезпечують обмеження кидків струму намагнічування реактора РПН. Для цього запропоновано структурні та принципові схеми блоків керування ТК, які реалізують включення тиристорів у задані фази напруги РО (рис. 8). Принцип роботи наведеної системи керування заснований на формуванні блоком БФОН опорної напруги, початкова фаза якої дорівнює необхідному куту включення ТК, завдяки чому блок БП у відповідні моменти часу дозволяє формування імпульсів керування в блоці ФІК та подачу їх на відповідні електроди тиристорів. При зміні напрямку перемикання фаза опорної напруги змінюється на 90є, що забезпечує включення ТК без кидків струму в необхідному діапазоні режимів роботи СЕЖ. Працездатність й ефективність запропонованих ТКП експериментально перевірені на трансформаторах ЕОЦНК-21000/10 та ЕОЦН-12000/10 у діючих СЕЖ Стахановського заводу феросплавів.

Економічна ефективність модернізації існуючих СЕЖ на базі застосування ТКП підтверджена техніко-економічними розрахунками, згідно з якими поліпшення економічних показників досягається за рахунок зниження експлуатаційних витрат та ліквідації економічного збитку, пов'язаного із зупинкою феросплавних печей при ушкодженні електромеханічних пристроїв РПН. При цьому, строк окупності капітальних вкладень не перевищує 1,51 років.

У додатках приведено технічні характеристики СЕЖ, опис алгоритмів та програмних модулів для розрахунку стаціонарних і динамічних режимів роботи СЕЖ феросплавних печей, чисельні результати досліджень, опис промислового впровадження ТКП, акти впровадження результатів роботи в промисловості та навчальному процесі.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішено комплекс задач, які направлені на розв'язання науково-практичної проблеми розвитку методології аналізу режимів роботи СЕЖ феросплавних печей, удосконаленню технічних засобів регулювання напруги в ЕПТ, чим забезпечуються умови ефективного функціонування електротехнічного і електротехнологічного обладнання феросплавного виробництва в сучасних соціальних та економічних умовах.

Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень полягають у наступному:

1. На основі аналізу режимів роботи, відомих методів та технічних рішень, що використовуються при створенні та експлуатації систем електроживлення феросплавних печей, виявлено їхні недоліки, які пов'язані з недостатньою електричною зносостійкістю й експлуатаційною надійністю пристроїв РПН в ЕПТ, та обґрунтована доцільність удосконалення методів розрахунку стаціонарних і динамічних режимів їхньої роботи.

2. Удосконалено схеми СЕЖ феросплавних печей з ТКП, що виконані на базі контакторів з містковим ДК й контакторів із ВДК, які дозволяють забезпечити комутаційний ресурс, порівнянний з їхнім механічним ресурсом. При номінальних струмах ТКП до 1 кА ресурс по електричній зносостійкості становить не менше 0,5 мільйона перемикань, що набагато перевищує ресурс існуючих пристроїв РПН з гасінням дуги в маслі або у вакуумі. На підставі виведених аналітичних співвідношень удосконалено методику розрахунку стаціонарних режимів СЕЖ, що додатково враховує зміну параметрів електропічних трансформаторів і тиристорно-контакторних пристроїв при перемиканні ступенів напруги.

3. Розвинуто методи розрахунку режимів роботи СЕЖ феросплавних печей шляхом виконання наступних заходів:

- на базі застосування пакета Matlab/Sіmulіnk уперше створено комплексні комп'ютерні моделі, які включають усі основні елементи електроживлення триелектродних феросплавних печей, такі як параметри системи зовнішнього електропостачання, електропічні трансформаторні агрегати, пристрої ППК, та електричне коло феросплавної печі, що у свою чергу включає опори зон шихти, розплаву й дугового розряду. Причому підмодель дугового розряду представлена на основі чисельно-аналітичного рішення енергобалансу стовпа дуги, що дозволяє додатково визначати її електрофізичні, теплофізичні та геометричні характеристики. При розрахунках комутаційних процесів комп'ютерна модель СЕЖ дозволяє адекватно враховувати нелінійні характеристики намагнічування трансформаторів й реакторів, та ємність їхніх обмоток.

- розроблено програмні модулі, що дозволяють значно підвищити ефективність аналізу стаціонарних і динамічних режимів СЕЖ, та дозволяє скоротити часові витрати більш ніж на 50%.

4. Методом комп'ютерного моделювання досліджено енергетичні характеристики СЕЖ феросплавних печей при виплавці високопроцентних марок феросиліцію, уточнено основні закономірності розподілу енергії у ванні печі при регулюванні напруги в ЕПТ, що дає змогу удосокналити методику вибору їх раціональних режимів роботи в практиці проектування і експлуатації. На основі теоретичних та експериментальних досліджень комутаційних режимів СЕЖ визначено характер процесів намагнічування реактора РПН й відновлювання напруги на ТК, що мають місце при перемиканні ступенів напруги в електропічних трансформаторах. Розроблено алгоритми керування тиристорними комутаторами, які ґрунтуються на вмиканні тиристорів у фіксовані зони комутації відповідно до фази напруги РО. Вірогідність отриманих результатів й адекватність запропонованих моделей підтверджена результатами експериментальних досліджень у діючих СЕЖ феросплавних печей.

5. Отримано основні розрахункові співвідношення для інженерного проектування ТКП. За участю здобувача з використанням теоретичних і практичних досліджень даної роботи вдосконалено й впроваджено в експлуатацію промислові зразки тиристорно-контакторних пристроїв, що містять додаткові блоки керування, які забезпечують обмеження кидків струму намагнічування реактора РПН до рівня його номінального струму. Результати дисертації також використовуються на ВАТ “Стахановський завод феросплавів” при аналізі й керуванні електричними режимами діючих систем електроживлення феросплавних печей та при модернізації пристроїв РПН електропічних трансформаторів. Впровадження ТКП у СЕЖ феросплавних печей дозволило біля чим в 5 разів скоротити витрати при експлуатації пристроїв РПН електропічних трансформаторів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Артюх С. Ф., Кухарев А. Л. Современное состояние проблемы регулирования напряжения силовых трансформаторов под нагрузкой // Энергетика и электрификация. - Київ: ТОВ «Корвус». - 2004.- №6.- С. 47-51.

Здобувачем виконано аналіз способів удосконалення пристроїв РПН силових трансформаторів та запропоновано класифікацію тиристорних перемикаючих пристроїв.

2. Солошенко В. П., Чеботарев В. А., Кухарев А. Л. Анализ повреждаемости электропечных трансформаторов в системах питания ферросплавных печей // Сучасні проблеми металургії. - Дніпропетровськ: ДНВП «Системні технології». - 2003. - Т. 6. - С. 169-173.

Здобувачем виконано аналіз пошкоджень електропічних трансформаторів у системах електроживлення феросплавних печей і розрахунок економічного збитку від низької експлуатаційної надійності існуючих пристроїв РПН.

3. Кухарев А. Л., Недвига Л. А. Исследование коммутационных процессов в устройствах регулирования напряжения электропечных трансформаторов систем электропитания ферросплавных печей // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України. - Київ: ІЕД НАНУ. - 2006. - №1(13).- С. 91-95.

Здобувачем проведено планування й участь в експериментальних роботах, статистична обробка результатів експериментів, оцінка впливу кидків струму намагнічування реактора на електричну зносостійкість контактів пристроїв РПН.

4. Кухарев А. Л., Солошенко В. П., Чеботарев В. А., Шепляков И. А. Усовершенствование методики расчета выходных параметров систем электропитания ферросплавных печей // Металлургическая и горнорудная промышленность. - Днепропетровск: ООО «НИИ Укрметаллургинформ». - 2006.- №6(240). - С. 24-26.

Здобувачем виконано удосконалення аналітичних співвідношень для аналізу режимів роботи систем електроживлення.

5. Кухарєв А. Л., Кохан П. Г., Недвига Л. А. Коммутационные процессы в реакторных устройствах РПН электропечных трансформаторов // Технічна електродинаміка. - Київ: ІЕД НАНУ. - 2006. - № 5. - С. 38-43.

Здобувачем виконано комп'ютерне моделювання комутаційних процесів у СЕЖ, аналіз процесів намагнічування реактора РПН, встановлення зон вмикання тиристорних комутаторів.

6. Кухарев А. Л., Филимоненко К. В., Филимоненко Н. Н. Математическая модель электрической цепи ванны ферросплавной печи // Праці Луганського відділення Міжнародної академії інформатизації. - Луганськ: СУНУ ім. В. Даля . - 2007. - № 2(15). - С. 78-84.

Здобувачем удосконалено математичні моделі електричного кола феросплавної печі на основі чисельно-аналітичного рішення рівняння енергобалансу стовпа дуги.

7. Артюх С. Ф., Кухарєв А. Л. Имитационное моделирование систем электропитания ферросплавных печей // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут“. - Харків: НТУ «ХПІ». - 2007.- №18.- С. 322 - 329.

Здобувачем розроблено комплексні комп'ютерні моделі систем електроживлення феросплавних печей та необхідних компонентів алгоритмічного й програмного забезпечення та на їх основі приведено результати обчислень енергетичних характеристик систем електроживлення феросплавних печей при регулюванні напруги.

8. Патент на корисну модель 18730 Україна, МПК⁶ H02P13/00, H01F29/00, G05F1/16. Тиристорно-контакторний пристрій для перемикання відводів регулювальної обмотки трансформатора під навантаженням / Кухарєв О. Л.; заявник та патентовласник Кухарєв Олексій Леонідович. - №200605962; заявл. 30.05.06; опубл. 15.11.06, Бюл. № 11. - 10 с.

9. Патент на корисну модель 18729 Україна, МПК⁶ H01F29/00, H02P13/00. Пристрій для перемикання відводів регулювальної обмотки трансформатора під навантаженням / Кухарєв О. Л.; заявник та патентовласник Кухарєв Олексій Леонідович. - №200605960; заявл. 30.05.06; опубл. 15.11.06, Бюл. № 11. - 6 с.

АНОТАЦІЯ

Кухарєв О. Л. Методи та засоби підвищення ефективності систем електроживлення феросплавних печей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. - Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2008.

Дисертація присвячена розробці методів та технічних засобів для підвищення ефективності систем електроживлення феросплавних печей. На підставі розроблених автором комплексу комп'ютерних моделей та проведених теоретичних і експериментальних досліджень запропоновано удосконалені схеми електроживлення феросплавних печей з тиристорно-контакторними пристроями РПН в електропічних трансформаторах. Розроблено алгоритми й схеми керування тиристорними комутаторами, що дозволяють обмежити кидки струму намагнічування реактора РПН при перемиканні ступенів напруги.

Моделі реалізовано у середовищі Matlab/Simulink, та на їх основі досліджено електромагнітні процеси у системах електроживлення з урахуванням параметрів розподілу електричної енергії у ванні печі. Основні результати роботи впроваджено у промислову експлуатацію.

Ключові слова: електротехнологічний комплекс, система електроживлення, феросплавна піч, електропічні трансформатори, регулювання напруги.

АННОТАЦИЯ

Кухарев А. Л. Методы и средства повышения эффективности систем электропитания ферросплавных печей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03- электротехнические комплексы и системы. - Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2008.

Диссертация посвящена усовершенствованию методов и технических средств для повышения эффективности функционирования систем электропитания ферросплавных печей. В работе предложены варианты схемотехнического исполнения систем электропитания ферросплавных печей с тиристорно-контакторными устройствами РПН, выполненными на базе контактора с мостиковым дугогасительным контактом и контактора с вакуумными дугогасительными камерами, которые позволяют обеспечить ресурс по электрической износостойкости, соизмеримый с их механическим ресурсом. В предложенных устройствах тиристорные коммутаторы выполнены по схеме встречно-параллельного включения тиристоров и устанавливаются параллельно регулировочной ступени для шунтирования дугогасительных контактов в моменты их коммутации.

Для расчета стационарных режимов систем электропитания ферросплавных печей и режимов работы тиристорно-контакторных устройств получены математические выражения, позволяющие вычислять действующие значения комплексных величин напряжения на выводах систем электропитания, потокосцепления в реакторе, токов и напряжений на тиристорном коммутаторе с учетом изменения параметров электропечных трансформаторов, устройств продольной компенсации реактивной мощности и электрических параметров печи.

На базе применения пакета Matlab/Simulink разработаны комплексные компьютерные модели систем электропитания ферросплавных печей с учетом подмоделей электропечных трансформаторов, вторичного токоподвода и электрической цепи ванны ферросплавной печи, которая в свою очередь включает сопротивления областей шихты, расплава и дугового разряда. Для обеспечения устойчивости вычислительного процесса модель дуги сформирована на основе численно-аналитического решения уравнения энергобаланса столба дуги переменного тока, в котором подводимая к дуге электрическая энергия равна отводимой энергии излучения. Модель позволяет не только рассматривать дугу как нелинейный элемент электрической цепи, но и определять электрофизические теплофизические и геометрические характеристики, необходимые для оперативного анализа интенсивности электротехнологического процесса. Для автоматизации процедуры параметрического анализа стационарных и динамических режимов систем электропитания в пакете Matlab разработаны программные модули, реализующие циклический запуск Simulink-моделей и построение зависимостей параметров моделирования. Адекватность полученных моделей подтверждена экспериментальными данными.

Методом компьютерного моделирования произведены расчеты энергетических показателей систем электропитания ферросплавных печей, уточнены основные закономерности распределения энергии в ванне печи при регулировании напряжения. Показано, что при увеличении напряжения печи большая часть мощности печи перераспределяется из зоны шихтовой проводимости в зону дуги и расплава, что обусловлено нелинейностью характеристик электрической дуги. Теоретически и экспериментально исследованы коммутационные процессы в устройствах РПН электропечных трансформаторов, на основании чего разработаны алгоритмы, принципиальные схемы и блоки управления тиристорными коммутаторами, позволяющие ограничивать броски тока намагничивания реактора при переключении ступеней напряжения и, тем самым, исключить перегрузки электрооборудования в этих режимах. На основании проведенных исследований разработаны основные положения для проектирования тиристорно-контакторных переключающих устройств.

Эффективность применения тиристорно-контакторных устройств в действующих системах электропитания ферросплавных печей, подтверждена технико-экономическими расчетами, при этом полученный срок окупаемости капитальных вложений не превышает 1,51 лет.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы на ОАО “Украинский научно-исследовательский институт трансформаторостроения” при проектировании и разработке промышленных образцов тиристорно-контакторных устройств, которые в настоящее время находятся в эксплуатации на ферросплавных заводах Украины. Кроме того, результаты исследований используются на ОАО “Стахановский завод ферросплавов” при анализе и управлении электрическим режимом действующих систем электропитания ферросплавных печей.

Ключевые слова: электротехнологический комплекс, система электропитания, ферросплавная печь, електропечные трансформаторы, регулирование напряжения.

ABSTRACT

Kukhariev O. L. Methods and means for increase of efficiency of the power supplies systems of submerged arc furnaces for production of ferroalloys. - Manuscript.

The dissertation for scientific degree of candidate of science, speciality 05.09.03 - electrotechnical complexes and systems. - National Technical University “Kharkov Polytechnical Institute”, Kharkov, 2008.

The dissertation is devoted to improvement of methods and means for increase of efficiency of the power supplies of ore-smelting furnaces for production of ferroalloys. The models, developed by the author, and also carried out theoretical and experimental researches resulted in improvement of the power supplies of ore-smelting furnaces for production of ferroalloys on the basis thyristor on-load tap changer (OLTC) of furnace transformer. The algorithms and arrangements for controlling by thyristor switchs are developed which provide restriction of throws of a magnetization current of OLTC reactors at change-over switching. піч феросплавний напруга трансформатор

The models of the power supplies systems are realized in Matlab/Simulink environment and contain furnace transformer submodels with series compensation, electric circuit submodel of submerged arc furnaces at production of ferrosilicon. AC arc model is based on the numerical - analytical decision of the energy balance equation of arc column. For transient analysis the models take into account the nonlinear magnetization characteristics of transformers and reactors and capacity of their windings. The calculations on these models have allowed to investigate electromagnetic processes in the power supplies systems and their interrelation with parameters of the electric power distribution in the furnace.

Keywords: electrotechnological complex, power supplies systems, submerged arc furnace, transformers, voltage adjusting.

...