Помощь студентам в учебе
Оптимизация работы гидропривода электродов сверхмощной дуговой сталеплавильной печи за счет тиристорного трансформатора
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 8
Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ ДСП-180 18
1.1. Общая характеристика ДСП-180 ПАО «ММК» 19
1.2. Характеристика силового электрооборудования 21
1.2.1. Схема электроснабжения 21
1.2.2. Характеристика печного трансформатора ДСП-180 22
1.3. Анализ электрического режима ДСП-180 26
1.4. Система автоматического управления электрическим режимом 30
1.5. Экспериментальные исследования отклонений электрических
параметров ДСП-180 32
1.6. Исследование быстродействия САУЭР ДСП-180 41
1.6.1. Анализ быстродействия РПН 41
1.6.2. Быстродействие гидропривода перемещения электродов 44
1.7. Схемы печных трансформаторов с тиристорным
регулированием напряжения 46
1.8. Анализ известной концепции САУЭР ДСП с тиристорным регу¬лированием напряжения 48
1.9. Координатно-параметрическая САУЭР 51
1.10. Направление совершенствования САУЭР ДСП 53
1.11. Выводы и постановка задачи исследований 55
Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА «ПТ-ДСП» С ТИРИСТОРНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ВТОРИЧНОГО НАПРЯЖЕНИЯ 58
2.1. Структура однофазной модели системы «ПТ-ДСП»
с тиристорным регулятором в промежуточном контуре 59
2.2. Однофазная модель ПТ с тиристорным управлением 60
2.3. Модель промежуточного контура ПТ 63
2.4. Математическая модель магнитной цепи ПТ 66
2.5. Модель комплекса «ПТ-ДСП» с тиристорным управлением 69
2.6. Проверка адекватности разработанных моделей 73
ВЫВОДЫ 79
Глава 3. РАЗРАБОТКА ДВУХКАНАЛЬНОЙ САУЭР ДСП С ТИРИСТОРНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА 80
3.1. Концепция автоматического управления электрическим режи¬мом ДСП 81
3.2. Силовая схема ПТ с тиристорным регулированием напряжения 83
3.3. Исследование регулировочной способности 85
3.4. Обоснование регулируемого электрического параметра 88
3.5. Функциональные схемы разрабатываемой САУЭР 92
3.6. Исследование совместной работы сепаратных каналов 95
3.6.1. Исследование импеданса в квазиустановившемся режиме регулирования напряжения 96
3.6.2. Анализ динамических изменений импеданса 98
3.7. Разграничение сепаратных каналов в частотном диапазоне 100
3.8. Моделирование САУЭР с частотным разделением каналов 102
ВЫВОДЫ 106
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 108
ЛИТЕРАТУРА 110
ВВЕДЕНИЕ 8
Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ ДСП-180 18
1.1. Общая характеристика ДСП-180 ПАО «ММК» 19
1.2. Характеристика силового электрооборудования 21
1.2.1. Схема электроснабжения 21
1.2.2. Характеристика печного трансформатора ДСП-180 22
1.3. Анализ электрического режима ДСП-180 26
1.4. Система автоматического управления электрическим режимом 30
1.5. Экспериментальные исследования отклонений электрических
параметров ДСП-180 32
1.6. Исследование быстродействия САУЭР ДСП-180 41
1.6.1. Анализ быстродействия РПН 41
1.6.2. Быстродействие гидропривода перемещения электродов 44
1.7. Схемы печных трансформаторов с тиристорным
регулированием напряжения 46
1.8. Анализ известной концепции САУЭР ДСП с тиристорным регу¬лированием напряжения 48
1.9. Координатно-параметрическая САУЭР 51
1.10. Направление совершенствования САУЭР ДСП 53
1.11. Выводы и постановка задачи исследований 55
Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА «ПТ-ДСП» С ТИРИСТОРНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ВТОРИЧНОГО НАПРЯЖЕНИЯ 58
2.1. Структура однофазной модели системы «ПТ-ДСП»
с тиристорным регулятором в промежуточном контуре 59
2.2. Однофазная модель ПТ с тиристорным управлением 60
2.3. Модель промежуточного контура ПТ 63
2.4. Математическая модель магнитной цепи ПТ 66
2.5. Модель комплекса «ПТ-ДСП» с тиристорным управлением 69
2.6. Проверка адекватности разработанных моделей 73
ВЫВОДЫ 79
Глава 3. РАЗРАБОТКА ДВУХКАНАЛЬНОЙ САУЭР ДСП С ТИРИСТОРНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА 80
3.1. Концепция автоматического управления электрическим режи¬мом ДСП 81
3.2. Силовая схема ПТ с тиристорным регулированием напряжения 83
3.3. Исследование регулировочной способности 85
3.4. Обоснование регулируемого электрического параметра 88
3.5. Функциональные схемы разрабатываемой САУЭР 92
3.6. Исследование совместной работы сепаратных каналов 95
3.6.1. Исследование импеданса в квазиустановившемся режиме регулирования напряжения 96
3.6.2. Анализ динамических изменений импеданса 98
3.7. Разграничение сепаратных каналов в частотном диапазоне 100
3.8. Моделирование САУЭР с частотным разделением каналов 102
ВЫВОДЫ 106
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 108
ЛИТЕРАТУРА 110
Современный этап развития металлургического производства характеризуется ростом объемов стали, выплавляемой в дуговых сталеплавильных печах (ДСП). По данным всемирной металлургической ассоциации World Steel Association (до 2009 г. Международный институт чугуна и стали) в 2014 г в мире было выплавлено 1,66 млрд. т стали. Крупнейшими производителями являлись Китай (822,7 млн. т), Япония (110,7 млн. т), США (88,2 млн. т), Индия (86,5 млн. т), Южная Корея, Россия (72 млн. т) [1, 2]. В промышленно развитых странах Евросоюза объем электростали в 2014 г превысил 35%, в США - 45%, в России - 30,6%.
Дуговые сталеплавильные печи являются самыми мощными электроприемниками в металлургической промышленности. Современные ДСП четвертого поколения характеризуют следующие показатели [3, 4]: относительная мощность печного трансформатора приближается к 1000 кВа на одну тонну, вторичное напряжение превышает 1000 В (800-1400 В), цикл плавки - от выпуска до выпуска не превышает 40 минут. Потребление мощности современных ДСП находится на уровне 120-150 МВТ, а реактивная мощность составляет 80-100% активной мощности.
Мощности печных трансформаторов (ПТ) ДСП составляют 150-300 МВА, а годовое электропотребление отдельных сталеплавильных агрегатов может превышать потребление электроэнергии городом с населением 300-400 тыс. человек [5]. Помимо этого ДСП являются электроприемниками с нелинейной, резкопеременной и несимметричной нагрузкой. Их работа вызывает сильные возмущения в питающей сети, что является причиной ухудшения показателей качества электроэнергии. Кроме того, современные «высокоимпедансные» дуговые печи, оснащенные дополнительным реактором для обеспечения устойчивой работы на длинных дугах, имеют низкий коэффициент мощности на первичной стороне печного трансформатора cosp = 0,72-0,75. Это приводит к значительному потреблению реактивной мощности, что создает дополнительные потери электроэнергии в элементах электрических сетей и сопровождается повышением результирующего коэффициента реактивной мощности tgcp = Qs/Ps.
Дуговые сталеплавильные печи представляют собой крупные источники электромагнитных помех, связанных со спецификой их работы [6, 7]:
1) резкопеременный характер нагрузки приводит к значительным колебаниям питающего напряжения (фликер-эффект);
2) генерирование высших гармоник тока в питающую сеть является причиной искажения синусоидальной формы питающего напряжения;
3) из-за неравномерности потребления активной и реактивной мощностей по фазам возникают токи обратной последовательности и несимметрия питающих напряжений [8].
При эксплуатации таких уникальных энергоемких потребителей с резкопеременной, нелинейной нагрузкой наиболее актуальными являются две проблемы: во-первых, поиск резервов энергосбережения и повышения производительности при изменении технологических и электрических параметров в широких пределах; во-вторых, обеспечение условий электромагнитной совместимости ДСП с питающей сетью.
Решение этих проблем является актуальным для Магнитогорского металлургического комбината (ПАО «ММК»), в электросталеплавильном цехе (ЭСПЦ) которого компанией VAI FUCHS поставлены две ДСП сверхвысокой мощности, серии «Ultimate» («достигшие предела»). Рабочая емкость каждой печи составляет 180 т, годовая производительность - 2 млн т стали. Мощность печного трансформатора 150 МВА. Установленная мощность двух трансформаторов составляет примерно одну треть мощности, потребляемой всем металлургическим комбинатом. Поэтому изучение вопросов эффективного управления электрическим режимом с целью снижения электропотребления и улучшения энергетических показателей ДСП является остроактуальной задачей.
Исследования и разработки в направлении улучшения энергетических показателей и технико-экономических характеристик ДСП проводятся многими отечественными и зарубежными авторам. Этим вопросам посвящены труды известных отечественных ученых Свенчанского А.Д. [9, 10] Салтыкова В.М. [11, 12], Кудрина Б.А. [14], Рубцова В.П. [15], Вагина Г.Я. [16] и других. Также известны труды зарубежных авторов, в том числе [17-22].
В числе публикаций отечественных разработчиков следует выделить труды Г.П. Корнилова, А.А. Николаева [23-32], которые внесли значительный вклад в решение названной проблемы в последние годы.
Мировыми лидерами - производителями систем автоматического управления электрическим режимом ДСП являются Siemens VAI (ныне Primetals Technologies) (системы управления ArCOS и Simelt), DANIELI (системы Hi- REG и Q-REG). Среди отечественных разработок следует выделить серийно выпускаемые системы АРДГ, АРДМ-М, АРДМ-Т [33-35].
Вместе с тем, следует отметить, что большинство известных разработок направлены на совершенствование фильтрокомпенсирующих устройств, подключаемых в узле нагрузке (в точке присоединения ДСП), и систем управления ими. Данный путь является затратным и не обеспечивает улучшения параметров технологического процесса за счет оптимального ввода электрической энергии и быстродействующего управления электрическим режимом.
Как показали проведенные исследования, значительное влияние на процесс плавления и потребление электрической энергии оказывает высокая дисперсия токов дуг, которая неизбежно возникает в процессе расплава электрической шихты. Снижение колебаний токов дуг и соответственно токов обмоток ПТ целесообразно обеспечить за счет сглаживания колебаний непосредственно в месте возникновения. Это следует осуществить путем регулирующих воздействий от системы автоматического управления электрическим режимом (САУЭР).
Практически все современные САУЭР выполнены по двухканальному принципу, основанному на регулировании полного сопротивления вторичного контура (импеданса) [36]. Регулирование импеданса осуществляется по первому (основному) каналу путем перемещения электродов гидравлическими устройствами. По второму каналу осуществляется ступенчатое регулирование напряжения трансформатора за счет переключения отпаек электромеханическими устройствами регулирования напряжения под нагрузкой (РПН). Теоретически, такие переключения должны осуществляться в нормальном рабочем режиме - под напряжением и током, однако в реальности это происходит в паузах между стадиями плавки.
Проведенные исследования показали, что такие системы не обеспечивают регулирования заданных параметров электрического режима (токов, активной либо реактивной мощности и др.) с необходимым быстродействием. Канал регулирования положения электродов является инерционным в связи с большой массой перемещаемых устройств.
Повышение быстродействия САУЭР возможно за счет применения бесконтактных (тиристорных либо транзисторных) регуляторов напряжения трансформаторов и/или индуктивности реакторов. Работы в направлении их создания ведутся зарубежными электротехническими компаниями. В данном направлении следует отметить разработки [37-40], в которых предлагаются различные схемы подключения тиристорных регуляторов. Наиболее перспективным с точки зрения обеспечения максимальной производительности печи и высоких показателей качества электроэнергии в точке подключения ПТ является вариант с тиристорным регулятором напряжения в третичной обмотке. Следует отметить разработку [41], на основании которой предложена новая концепция управления электрическим режимом ДСП, обеспечивающая постоянство потребляемой реактивной мощности [42].
Вместе с тем, известные разработки систем управления электрическим режимом ДСП не доведены до опытно-промышленных испытаний и не получили практического внедрения. Для вышеупомянутых систем регулирования разработана действующая однофазная физическая модель [42-44], информация об испытаниях других систем в литературных источниках отсутствует. Также отсутствует информация о возможности применения оптимальных алгоритмов управления на действующем оборудовании сверхмощных ДСП, что позволило бы обеспечить достижение эффекта при минимальных затратах.
Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности сверхмощной ДСП за счет разработки быстродействующей системы автоматического управления электрическим режимом на основе тиристорных регуляторов вторичного напряжения печного трансформатора.
Здесь под термином «энергетическая эффективность» понимается рациональное использование меньшего количества электрической энергии для обеспечения требуемого уровня технологического процесса ДСП или снижение расхода электрической энергии на выпуск тонны продукции.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1. Исследование технологических и электрических режимов ДСП-180 ЭСПЦ ПАО «ММК», с целью обоснования направлений совершенствования САУЭР.
2. Разработка концептуально связанных способов и систем автоматического управления электрическим режимом, обеспечивающих улучшение энергетических показателей и снижение негативного влияния ДСП на сеть.
3. Разработка математических моделей электротехнических комплексов ДСП с учетом специфики разрабатываемой САУЭР. Исследования усовершенствованных способов управления электрическими режимами ДСП методами математического моделирования.
4. Сравнительный анализ электрических характеристик ДСП в существующей и разработанных системах управления. Оценка эффективности предложенных решений. Рекомендации по промышленному внедрению на действующих ДСП.
Решение поставленных задач выполняется применительно к ДСП-180 ПАО «ММК». Вместе с тем, проблема предотвращения негативных последствий высокой дисперсии токов электрических дуг является общей для всех печей переменного тока. Поэтому выполненные разработки не будут иметь принципиальных отличий при использовании на других электропечных агрегатах.
Содержание диссертации по главам соответствует решению поставленных задач и изложено следующим образом:
В первой главе выполнен анализ технологического и электрического режимов ДСП-180, приведены схема и параметры печного трансформатора. Представлены описание существующей САУЭР и результаты экспериментальных исследований быстродействия каналов регулирования импеданса и вторичного напряжения ПТ. Проведен обзор известных силовых схем печных трансформаторов с тиристорным регулированием напряжения и индуктивности реактора. Рассмотрены быстродействующие системы управления электрическим режимом ДСП.
Вторая глава посвящена разработке математических моделей комплекса «печной трансформатор - дуговая сталеплавильная печь» («ПТ-ДСП»). Разработаны однофазная математическая модель, предназначенная для исследования САУЭР в симметричных режимах, и трехфазная модель, учитывающая особенности соединения обмоток ПТ, предназначенная для анализа параметров электрического режима и энергетических показателей ДСП. Обе модели содержат математическое описание тиристорных регуляторов, электрических дуг и систем автоматического регулирования импеданса. Путем сравнения результатов моделирования и реальных параметров электрического режима подтверждена адекватность моделей исследуемому объекту.
В третьей главе представлены результаты разработки быстродействующей САУЭР на базе печного трансформатора с тиристорным регулированием вторичного напряжения. Обоснован общий (концептуальный) подход, согласно которому осуществляется стабилизация заданного электрического параметра, а автоматическое регулирование импеданса осуществляется по менее быстродействующему каналу гидравлического перемещения электродов. Представлен сравнительный анализ дисперсий токов и энергетических показателей при стабилизации основных параметров электрического режима. Разработана функциональная схема двухканальной САУЭР, реализующей предложенный принцип управления. Предложен способ разделения сепаратных каналов в частотных диапазонах. В результате математического моделирования подтверждено снижение дисперсий токов дуг и улучшение энергетических характеристик ДСП...
Дуговые сталеплавильные печи являются самыми мощными электроприемниками в металлургической промышленности. Современные ДСП четвертого поколения характеризуют следующие показатели [3, 4]: относительная мощность печного трансформатора приближается к 1000 кВа на одну тонну, вторичное напряжение превышает 1000 В (800-1400 В), цикл плавки - от выпуска до выпуска не превышает 40 минут. Потребление мощности современных ДСП находится на уровне 120-150 МВТ, а реактивная мощность составляет 80-100% активной мощности.
Мощности печных трансформаторов (ПТ) ДСП составляют 150-300 МВА, а годовое электропотребление отдельных сталеплавильных агрегатов может превышать потребление электроэнергии городом с населением 300-400 тыс. человек [5]. Помимо этого ДСП являются электроприемниками с нелинейной, резкопеременной и несимметричной нагрузкой. Их работа вызывает сильные возмущения в питающей сети, что является причиной ухудшения показателей качества электроэнергии. Кроме того, современные «высокоимпедансные» дуговые печи, оснащенные дополнительным реактором для обеспечения устойчивой работы на длинных дугах, имеют низкий коэффициент мощности на первичной стороне печного трансформатора cosp = 0,72-0,75. Это приводит к значительному потреблению реактивной мощности, что создает дополнительные потери электроэнергии в элементах электрических сетей и сопровождается повышением результирующего коэффициента реактивной мощности tgcp = Qs/Ps.
Дуговые сталеплавильные печи представляют собой крупные источники электромагнитных помех, связанных со спецификой их работы [6, 7]:
1) резкопеременный характер нагрузки приводит к значительным колебаниям питающего напряжения (фликер-эффект);
2) генерирование высших гармоник тока в питающую сеть является причиной искажения синусоидальной формы питающего напряжения;
3) из-за неравномерности потребления активной и реактивной мощностей по фазам возникают токи обратной последовательности и несимметрия питающих напряжений [8].
При эксплуатации таких уникальных энергоемких потребителей с резкопеременной, нелинейной нагрузкой наиболее актуальными являются две проблемы: во-первых, поиск резервов энергосбережения и повышения производительности при изменении технологических и электрических параметров в широких пределах; во-вторых, обеспечение условий электромагнитной совместимости ДСП с питающей сетью.
Решение этих проблем является актуальным для Магнитогорского металлургического комбината (ПАО «ММК»), в электросталеплавильном цехе (ЭСПЦ) которого компанией VAI FUCHS поставлены две ДСП сверхвысокой мощности, серии «Ultimate» («достигшие предела»). Рабочая емкость каждой печи составляет 180 т, годовая производительность - 2 млн т стали. Мощность печного трансформатора 150 МВА. Установленная мощность двух трансформаторов составляет примерно одну треть мощности, потребляемой всем металлургическим комбинатом. Поэтому изучение вопросов эффективного управления электрическим режимом с целью снижения электропотребления и улучшения энергетических показателей ДСП является остроактуальной задачей.
Исследования и разработки в направлении улучшения энергетических показателей и технико-экономических характеристик ДСП проводятся многими отечественными и зарубежными авторам. Этим вопросам посвящены труды известных отечественных ученых Свенчанского А.Д. [9, 10] Салтыкова В.М. [11, 12], Кудрина Б.А. [14], Рубцова В.П. [15], Вагина Г.Я. [16] и других. Также известны труды зарубежных авторов, в том числе [17-22].
В числе публикаций отечественных разработчиков следует выделить труды Г.П. Корнилова, А.А. Николаева [23-32], которые внесли значительный вклад в решение названной проблемы в последние годы.
Мировыми лидерами - производителями систем автоматического управления электрическим режимом ДСП являются Siemens VAI (ныне Primetals Technologies) (системы управления ArCOS и Simelt), DANIELI (системы Hi- REG и Q-REG). Среди отечественных разработок следует выделить серийно выпускаемые системы АРДГ, АРДМ-М, АРДМ-Т [33-35].
Вместе с тем, следует отметить, что большинство известных разработок направлены на совершенствование фильтрокомпенсирующих устройств, подключаемых в узле нагрузке (в точке присоединения ДСП), и систем управления ими. Данный путь является затратным и не обеспечивает улучшения параметров технологического процесса за счет оптимального ввода электрической энергии и быстродействующего управления электрическим режимом.
Как показали проведенные исследования, значительное влияние на процесс плавления и потребление электрической энергии оказывает высокая дисперсия токов дуг, которая неизбежно возникает в процессе расплава электрической шихты. Снижение колебаний токов дуг и соответственно токов обмоток ПТ целесообразно обеспечить за счет сглаживания колебаний непосредственно в месте возникновения. Это следует осуществить путем регулирующих воздействий от системы автоматического управления электрическим режимом (САУЭР).
Практически все современные САУЭР выполнены по двухканальному принципу, основанному на регулировании полного сопротивления вторичного контура (импеданса) [36]. Регулирование импеданса осуществляется по первому (основному) каналу путем перемещения электродов гидравлическими устройствами. По второму каналу осуществляется ступенчатое регулирование напряжения трансформатора за счет переключения отпаек электромеханическими устройствами регулирования напряжения под нагрузкой (РПН). Теоретически, такие переключения должны осуществляться в нормальном рабочем режиме - под напряжением и током, однако в реальности это происходит в паузах между стадиями плавки.
Проведенные исследования показали, что такие системы не обеспечивают регулирования заданных параметров электрического режима (токов, активной либо реактивной мощности и др.) с необходимым быстродействием. Канал регулирования положения электродов является инерционным в связи с большой массой перемещаемых устройств.
Повышение быстродействия САУЭР возможно за счет применения бесконтактных (тиристорных либо транзисторных) регуляторов напряжения трансформаторов и/или индуктивности реакторов. Работы в направлении их создания ведутся зарубежными электротехническими компаниями. В данном направлении следует отметить разработки [37-40], в которых предлагаются различные схемы подключения тиристорных регуляторов. Наиболее перспективным с точки зрения обеспечения максимальной производительности печи и высоких показателей качества электроэнергии в точке подключения ПТ является вариант с тиристорным регулятором напряжения в третичной обмотке. Следует отметить разработку [41], на основании которой предложена новая концепция управления электрическим режимом ДСП, обеспечивающая постоянство потребляемой реактивной мощности [42].
Вместе с тем, известные разработки систем управления электрическим режимом ДСП не доведены до опытно-промышленных испытаний и не получили практического внедрения. Для вышеупомянутых систем регулирования разработана действующая однофазная физическая модель [42-44], информация об испытаниях других систем в литературных источниках отсутствует. Также отсутствует информация о возможности применения оптимальных алгоритмов управления на действующем оборудовании сверхмощных ДСП, что позволило бы обеспечить достижение эффекта при минимальных затратах.
Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности сверхмощной ДСП за счет разработки быстродействующей системы автоматического управления электрическим режимом на основе тиристорных регуляторов вторичного напряжения печного трансформатора.
Здесь под термином «энергетическая эффективность» понимается рациональное использование меньшего количества электрической энергии для обеспечения требуемого уровня технологического процесса ДСП или снижение расхода электрической энергии на выпуск тонны продукции.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1. Исследование технологических и электрических режимов ДСП-180 ЭСПЦ ПАО «ММК», с целью обоснования направлений совершенствования САУЭР.
2. Разработка концептуально связанных способов и систем автоматического управления электрическим режимом, обеспечивающих улучшение энергетических показателей и снижение негативного влияния ДСП на сеть.
3. Разработка математических моделей электротехнических комплексов ДСП с учетом специфики разрабатываемой САУЭР. Исследования усовершенствованных способов управления электрическими режимами ДСП методами математического моделирования.
4. Сравнительный анализ электрических характеристик ДСП в существующей и разработанных системах управления. Оценка эффективности предложенных решений. Рекомендации по промышленному внедрению на действующих ДСП.
Решение поставленных задач выполняется применительно к ДСП-180 ПАО «ММК». Вместе с тем, проблема предотвращения негативных последствий высокой дисперсии токов электрических дуг является общей для всех печей переменного тока. Поэтому выполненные разработки не будут иметь принципиальных отличий при использовании на других электропечных агрегатах.
Содержание диссертации по главам соответствует решению поставленных задач и изложено следующим образом:
В первой главе выполнен анализ технологического и электрического режимов ДСП-180, приведены схема и параметры печного трансформатора. Представлены описание существующей САУЭР и результаты экспериментальных исследований быстродействия каналов регулирования импеданса и вторичного напряжения ПТ. Проведен обзор известных силовых схем печных трансформаторов с тиристорным регулированием напряжения и индуктивности реактора. Рассмотрены быстродействующие системы управления электрическим режимом ДСП.
Вторая глава посвящена разработке математических моделей комплекса «печной трансформатор - дуговая сталеплавильная печь» («ПТ-ДСП»). Разработаны однофазная математическая модель, предназначенная для исследования САУЭР в симметричных режимах, и трехфазная модель, учитывающая особенности соединения обмоток ПТ, предназначенная для анализа параметров электрического режима и энергетических показателей ДСП. Обе модели содержат математическое описание тиристорных регуляторов, электрических дуг и систем автоматического регулирования импеданса. Путем сравнения результатов моделирования и реальных параметров электрического режима подтверждена адекватность моделей исследуемому объекту.
В третьей главе представлены результаты разработки быстродействующей САУЭР на базе печного трансформатора с тиристорным регулированием вторичного напряжения. Обоснован общий (концептуальный) подход, согласно которому осуществляется стабилизация заданного электрического параметра, а автоматическое регулирование импеданса осуществляется по менее быстродействующему каналу гидравлического перемещения электродов. Представлен сравнительный анализ дисперсий токов и энергетических показателей при стабилизации основных параметров электрического режима. Разработана функциональная схема двухканальной САУЭР, реализующей предложенный принцип управления. Предложен способ разделения сепаратных каналов в частотных диапазонах. В результате математического моделирования подтверждено снижение дисперсий токов дуг и улучшение энергетических характеристик ДСП...
1. Особенностью электрического режима сверхмощных ДСП является высокая дисперсия токов электрических дуг и соответственно токов обмоток трансформатора. Это является причиной ухудшения энергетических характеристик и электромагнитной совместимости электропечи с питающей сетью.
2. Возможности снижения дисперсии и размаха колебаний токов дуг в существующих системах ограничены быстродействием канала регулирования импеданса, осуществляемого за счет перемещения электродов, и канала регулирования напряжения путем переключения РПН в промежутках между стадиями плавки.
3. С целью разработки и исследования перспективных систем быстродействующего регулирования параметров электрического режима разработаны математические модели электротехнического комплекса «ПТ-ДСП», выполненные на основе однофазной и трехфазной моделей печного трансформатора с тиристорными регуляторами в третичной обмотке, содержащие модели электрической дуги, гидравлического привода и систем регулирования положения электродов и управления регуляторами.
4. Предложена концепция построения двухканальной САУЭР ДСП, согласно которой осуществляется стабилизация заданного электрического параметра путем быстродействующего регулирования вторичного напряжения печного трансформатора, при этом автоматическое регулирование импеданса осуществляется по менее быстродействующему каналу гидравлического перемещения электродов.
5. Предложен способ ограничения взаимного влияния сепаратных каналов САУЭР, согласно которому регулирование импеданса в диапазоне медленно изменяющихся сигналов (1-2 Гц) осуществляется гидравлическим приводом перемещения электродов, а снижение колебаний регулируемой координаты в диапазоне высоких частот обеспечивается каналом бесконтактного регулирования напряжения трансформатора.
6. Разработана функциональная схема САУЭР, реализующей предложенный принцип управления. Для осуществления быстродействующего регулирования вторичного напряжения предложена схема подключения тиристорных регуляторов к третичной обмотке главного трансформатора, отличием которой является последовательное соединение регуляторов и токоограничивающего реактора.
7. В результате исследований показано, что при реализации способов стабилизации тока первичной обмотки и реактивной мощности в разработанной системе обеспечиваются улучшение электромагнитной совместимости ДСП с сетью и повышение качества электрической энергии. Однако при этом значительно увеличиваются колебания активной мощности на первичной стороне ПТ.
8. Результаты диссертационной работы переданы в электрослужбу ЭСПЦ и ЦЭТЛ ПАО «ММК» и рекомендованы для внедрения на ДСП-180. Ожидаемый экономический эффект составляет 13,8 млн. руб./год. Разработанные способы и алгоритмы управления рекомендованы для применения на действующих и проектируемых ДСП металлургических предприятий.
2. Возможности снижения дисперсии и размаха колебаний токов дуг в существующих системах ограничены быстродействием канала регулирования импеданса, осуществляемого за счет перемещения электродов, и канала регулирования напряжения путем переключения РПН в промежутках между стадиями плавки.
3. С целью разработки и исследования перспективных систем быстродействующего регулирования параметров электрического режима разработаны математические модели электротехнического комплекса «ПТ-ДСП», выполненные на основе однофазной и трехфазной моделей печного трансформатора с тиристорными регуляторами в третичной обмотке, содержащие модели электрической дуги, гидравлического привода и систем регулирования положения электродов и управления регуляторами.
4. Предложена концепция построения двухканальной САУЭР ДСП, согласно которой осуществляется стабилизация заданного электрического параметра путем быстродействующего регулирования вторичного напряжения печного трансформатора, при этом автоматическое регулирование импеданса осуществляется по менее быстродействующему каналу гидравлического перемещения электродов.
5. Предложен способ ограничения взаимного влияния сепаратных каналов САУЭР, согласно которому регулирование импеданса в диапазоне медленно изменяющихся сигналов (1-2 Гц) осуществляется гидравлическим приводом перемещения электродов, а снижение колебаний регулируемой координаты в диапазоне высоких частот обеспечивается каналом бесконтактного регулирования напряжения трансформатора.
6. Разработана функциональная схема САУЭР, реализующей предложенный принцип управления. Для осуществления быстродействующего регулирования вторичного напряжения предложена схема подключения тиристорных регуляторов к третичной обмотке главного трансформатора, отличием которой является последовательное соединение регуляторов и токоограничивающего реактора.
7. В результате исследований показано, что при реализации способов стабилизации тока первичной обмотки и реактивной мощности в разработанной системе обеспечиваются улучшение электромагнитной совместимости ДСП с сетью и повышение качества электрической энергии. Однако при этом значительно увеличиваются колебания активной мощности на первичной стороне ПТ.
8. Результаты диссертационной работы переданы в электрослужбу ЭСПЦ и ЦЭТЛ ПАО «ММК» и рекомендованы для внедрения на ДСП-180. Ожидаемый экономический эффект составляет 13,8 млн. руб./год. Разработанные способы и алгоритмы управления рекомендованы для применения на действующих и проектируемых ДСП металлургических предприятий.