Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Проблемы согласования тиристорного источника питания с нагрузкой в электротермических установках 13
1.1. Особенности электротермической нагрузки. 13
1.2. Рациональная эксплуатация электротермических установок и согласование источников питания с нагрузкой 27
1.3. Тиристорные преобразователи частоты для питания электротермических установок 36
1.4. Вывода 46
ГЛАВА 2. Разработка методики исследования методов согласования и математические модели электротермических установок с тиристорними преобразователями 48
2.1. Методы исследования тиристорных преобразователей и электротермических установок 48
2.2. Схемотехнические модели силовой части тиристорных преобразователей частоты 60
2.3. Функциональные модели систем управления преобразователями 69
2.4. Информационные модели электротермической нагрузки на примере индукционной плавильной тигельной печи 85
2.5. Настройка моделей и организация машинного эксперимента 94
2.6. Выводы 101
ГЛАВА 3. Исследование плавильных установок с промышленными преобразователями частоты на математических моделях 103
3.1. Нагрузочные характеристики промышленных преобразователей 103
3.2. Интегральные характеристики процесса плавки при питании индукционной тигельной печи от тиристорных преобразователей 113
3.3. Режимы работы тиристорных преобразователей в плавильных установках 124
3.4. Рекомендации по применению промышленных преобразователей 130
3.5. Выводы 133
ГЛАВА 4. Разработка и исследование тиристорного источника питания для электротермических установок с улучшенными возможностями по согласованию с изменяющейся нагрузкой 136
4.1. Выбор схемы автономного инвертора 136
4.2. Выбор способа регулирования, обеспечивающего эффективное согласование преобразователя с изменяющейся электротермической нагрузкой 152
4.3. Разработка математической модели плавильной установки с преобразователем частоты на основе резонансного инвертора с комбинированной структурной адаптацией к изменению нагрузки 172
4.4. Исследование нагрузочных характеристик, интегральных показателей технологического процесса и режимов работы преобразователя в составе плавильной установки на математической модели 180
4.5. Выводы 192
ГЛАВА 5. Исследование макета тиристорного преобразователя на основе вотируемого резонансного инвертора с диодами 195
5.1. Разработка макета тиристорного преобразователя частоты 195
5.2. Анализ электромагнитных процессов в преобразователе 203
5.3. Выводы 211
Заключение 213
Список использованных источников 215
- Рациональная эксплуатация электротермических установок и согласование источников питания с нагрузкой
- Методы исследования тиристорных преобразователей и электротермических установок
- Нагрузочные характеристики промышленных преобразователей
- Выбор способа регулирования, обеспечивающего эффективное согласование преобразователя с изменяющейся электротермической нагрузкой
Введение к работе
Важным направлением развития народного хозяйства на современном этапе является интенсификация энергоёмких технологических процессов. Среди электротехнологических процессов к наиболее энергоёмким относятся электротермические. Электронагрев применяется практически во всех отраслях народного хозяйства и на него расходуется в настоящее время около 12$ вырабатываемой в СССР электроэнергии [i] . Постоянно возрастает действие факторов, стимулирующих дальнейшее развитие электротермии. Увеличиваются единичные мощности электротермических установок (ЭТУ).
В этой связи особое значение приобретают совершенствование применяемого электротермического оборудования, направленное на автоматизацию, улучшение энергетических показателей, надёжности работы и повышение эффективности.
Технико-экономические показатели ЭТУ во многом зависят от типа и условий эксплуатации применяемых источников питания (ИП). В последние годы в качестве ИП распространение получили тирис-торные преобразователи (ТП). Обладая известными преимуществами перед другими типами ИП, ТП, как показывает опыт эксплуатации, зачастую используются недостаточно эффективно. Серьёзные затруднения возникают в решении вопросов согласования с нагрузкой (НА) и поиска оптимальных режимов. Значительное изменение электрических параметров (ЭП) ЭТУ в ходе процесса нагрева при неправильном согласовании ведёт к недоиспользованию ИП по мощности, увеличению времени проведения, ухудшению энергетических показателей и удорожанию технологического процесса.
Задача состоит в том, чтобы суметь реализовать все потенциальные возможности и преимущества ТП. Одним из путей решения
данной задачи является разработка эффективных методов согласования ИП с НА. Под согласованием понимают предшествующий этап отработки режима нагрева, а также некоторый промежуточный, когда режим нагрева приходится изменять, корректировать с целью передачи от ИП в НА необходимой мощности при номинальном напряжении и проведения процесса в заданное время [2, 3 J . Как видно, оптимальное согласование ИП с НА предполагает выполнение комплекса мероприятий, включающего как согласование по уровню напряжения (мощности) и частоты, так и разработку оптимальных структур силовой части и высокоэффективных алгоритмов регулирования Ш.
Исследования в этих направлениях в настоящее время нельзя считать законченными. Так слабо изучены возможности различных типов ТП и их работа в составе конкретных ЭТУ. Это объясняется, в частности, тем, что в СССР общепринятым является подход на создание универсальных ИП. ИП ЭТУ" постоянно совершенствуются, появляются новые типы и модификации. Поэтому интерес представляет сравнение ИП различных типов, выявление областей рационального применения. До конца не исследованы вопросы, касающиеся использования экстремальных способов регулирования режима ТП на основе резонансных инверторов (ИР). Не менее важной является и задача дальнейшего совершенствования ИП ЭТУ, заключающегося в разработке новых оптимальных структур силовой части и эффективных алгоритмов регулирования, обеспечивающих наилучшие условия по согласованию и повышение энергетической эффективности.
Таким образом,перед исследователями стоит важная комплексная проблема.
Настоящая работа в той или иной мере посвящена всем вышеперечисленным вопросам.
Цель работы состоит в сравнении и выработке рекомендаций
по применению и техническому усовершенствованию серийно выпускаемых ТП для улучшения использования установленной мощности в ЭТУ, разработке и исследовании новых схемных решений и способов управления тиристорних ИП, направленных на оптимизацию согласования с изменяющейся технологической нагрузкой. Исследования проводятся применительно к плавильным установкам (ПУ) с ТП.
Выбор ПУ в качестве объекта исследования объясняется тем, что изменение ЭП индукционных плавильных тигельных печей (ИПП) в ходе процесса представляет собой наиболее общий и наиболее сложный случай среди всех ЭТУ.
В соответствии с целью основными вопросами, решаемыми в работе, являются: определение критериев оценки эффективности согласования тиристорного ИП с НА в ЭТУ, разработка методики исследования методов согласования, исследование интегральных характеристик процесса плавки и режимов работы ТИ в ПУ для сравнения и выработки рекомендаций по применению ИП различных типов, разработка и исследование новых структур силовой части ИП и алгоритмов регулирования режима, обеспечивающих оптимальное согласование с изменяющейся технологической нагрузкой.
Рациональная эксплуатация электротермических установок и согласование источников питания с нагрузкой
Коэффициенты при производных в (І.ЗІ), (1.32) зависят от параметра четырёхполюсника 2 . Таким образом, путём настройки УС и выбора 6гг можно влиять на характер и диапазон изменения ЭП по ходу нагрева. Реально при переходе, например, с параллельной схемы на параллельно-последовательную диапазон изменения йзн# уменьшается в 1,3 - 1,5 раза, что позволяет более полно использовать мощность ИП. Однако существенно возрастает установленная мощность КБ, усложняется устройство и управление им. При применении сложных схем компенсации необходимо контролировать напряжения на последовательных ёмкостях, которые в изменяющихся условиях могут превышать допустимые уровни, что вызовет выход ёмкостей из строя. Поэтому данный способ не получил широкого распространения. Наиболее широко применяется параллельная схема компенсации реактивности нагрузки.
В плавильных установках для уменьшения диапазона изменения ЭП возможна организация специального графика подгрузки печи шихтой [27] . Такой способ известен достаточно давно [зо] . Сущность способа становится ясной из рассмотрения рис. I.II, І.І2. Его применение не приводит к усложнению установок и снижению коэффициента использования дорогостоящего конденсаторного оборудования.
Кроме настройки постоянное согласование ИЇЇ с НА в ходе технологического процесса нагрева в изменяющихся условиях требует также специального регулирования электрического режима ЭТУ. Для полного использования мощности ИП и снижения потерь в питающей сети от реактивных токов необходимо поддерживать частоту источника близкой или равной резонансной частоте нагрузочного контура, т.е. осуществлять резонансное регулирование электрического режима [17, 18, 47, 48]. Широкие возможности по резонансному регулированию режима имеются в установках индукционного нагрева с тиристорними преобразователями, выходная частота которых может быть изменена простым путём. Принципиально необходимо также осуществление согласующего регулирования с целью уменьшения диапазона изменения RHe в ходе процесса и поддержания RH/) близким к RH ИП. Согласующее регулирование при питании ЭТУ от ТП может быть осуществлено путём регулирования RHfl изменением частоты с использованием зависимостей (1.6), (1.7). Однако поскольку алгоритмы согласующего и резонансного регулирований требуют изменения частоты в разные стороны, то для одновременного поддержания нужного значения Йнд и близкой к резонансной настройки НК необходимо совместно управлять частотой и ёмкостью КБ 23J . Для параллельного НК при резонансном регулировании и переключениях ёмкости С параметр R согласно (1.6) определяется выражением где R0H/J - сопротивление до переключения ёмкости; л С - величина коммутируемой части КБ. Регулирование /?А//7 может также производиться путём переключения отпаек согласующего трансформатора или изменения числа витков автотрансформатора (если они применяются), а также переключением отпаек индуктора [18, 32 - 34, 36, 39, 40, 49 - 52 J . Приведённое сопротивление нагрузки RHfl после переключения определяется зависимостью вида где КТР - коэффициент трансформации (автотрансформации).
Как видно, осуществление согласующего регулирования может производиться только дискретно и требует применения дополнительной коммутирующей аппаратуры и сложного устройства согласующих элементов. Кроме того, переключения ухудшают условия работы ТП, вызывая сложные переходные процессы. Реально дискретное согласующее регулирование невозможно в случае кратковременных процессов при наличии в Ж высокочастотных колебаний. В реальных условиях эксплуатации ЭТУ число переключений (если они вообще возможны) стараются минимизировать или исключить совсем, что следует иметь в виду при разработке и исследовании методов согласования.
Практический интерес представляют предельные возможности ИП при работе на Ж параллельного типа при отсутствии каких-либо переключений в ходе процесса. Если же такая возможность всё таки имеется, указанный подход позволяет определить режимы работы ЭТУ с минимальным числом переключений.
Совместное осуществление резонансного и согласующего регулирований обеспечивает хорошее использование мощности ИП и высокие энергетические показатели ЭТУ. Однако при этом ещё нельзя гарантировать, что в ходе технологического процесса работа ЭТУ будет устойчивой и надёжной. Для обеспечения работы всего электрооборудования в допустимых режимах при максимальном использовании мощности необходимо ограничивать тот из параметров электрического режима, который в данный момент времени достигает предельно допустимого значения. ИП ЭТУ в изменяющихся условиях должен обладать адаптивными свойствами. Под адаптацией понимают процесс изменения параметров, структуры системы и (или) управляющих воздействий на основе текущей информации с целью достижения определённого, обычно оптимального, состояния системы при начальной неопределённости и изменяющихся условиях работы [зі, 53J . Адаптивные свойства могут быть получены за счёт использования специальных алгоритмов регулирования ИП (граничное регулирование) и структур силовой части [16, 23 ] .
Методы исследования тиристорных преобразователей и электротермических установок
Анализ с помощью разрывных (обобщённых) функций позволяет получить аналитическую модель ТП, не содержащую коммутирующих элементов, и рассматривать электромагнитные процессы не на отдельных интервалах, а в течение всего времени, также как и для непрерывного процесса. При решении дифференциальных уравнений получают конечные выражения в замкнутой форме или в форме рядов Фурье без определения корней характеристического уравнения и постоянных интегрирования.
В ряде случаев, для которых можно с достаточной степенью точности считать, что в результате периодических переключений вентилей происходит формирование эквивалентных источников э.д.с. воздействующих на линейную часть цепи или когда, форма токов вентилей становится заранее известной, ТП может быть представлен в виде разомкнутой линейной импульсной системы. Задача расчёта электромагнитных процессов в преобразователе сводится к определению реакции линейной цепи на периодическое несинусоидальное воздействие. Это позволяет использовать разработанные методы анализа таких систем [126] .
В некоторых методах [16, 130 J оценивают переходный процесс только по первой гармонике или, как в методе непрерывной аппроксимации, ограничиваются исследованием изменения непрерывной составляющей токов и напряжений в схеме, несущей основную энергетическую нагрузку. Дискретная схема ТП при этом заменяется непрерывной, что позволяет использовать аппарат, развитый для таких систем [іб] .
Достоинством всех перечисленных методов является возможность применения частотного аппарата анализа линейных систем. Однако простота и ясность в использовании этого аппарата исчезает при увеличении размерности СДУ исследуемых систем, а проблема определения собственных чисел остаётся весьма сложной. Кроме того ошибки линеаризации различного рода ТП различны и для них отсутствуют оценки. Существует ряд преобразовательных схем, в которых изменение состояния преобразовательного моста обеспечивает качественное изменение характеристик. Пренебрежение возможным изменением состояния ведёт к завышенным оценкам времени восстановления вентилей и занижению амплитуд токов и напряжений. Практика показывает, что данные методы могут давать не только количественные, но и качественные ошибки. Во всех вышеперечисленных случаях единственно надёжным методом анализа остаётся кусочно-припасовочный метод. На основе этого метода в настоящее время разработаны универсальные моделирующие комплексы автоматизированного анализа ТП на ЭВМ [ill, 131 - 136 J . Математические методы расчёта электротермических установок включают приближённые методы и методы, сочетающие аналитические и приближённые: основанные на аналогии системы ИН-НТ с воздушным трансформатором, общего потока [4 - 6, 13, 14, 27, 38, 13 - 142 ] . Приближенные методы распространены в практике расчёта индукторов, в том числе и в составе достаточно сложных электротепловых моделей. Недостатком приближённых методов является невысокая точность. Наиболее перспективны методы, основанные на составлении магнитных схем замещения, хорошо зарекомендовавшие себя при расчётах нагревательных индукторов. Основная идея метода общего потока заключается в предположении, что все витки индуктора охватываются одинаковым потоком, что позволяет перейти от магнитной к эквивалентной электрической схеме замещения. Сопротивления ґнт и Хнт нагреваемого тела находят из условия равномерности магнитного поля по длине НГ где й , 3 - коэффициенты активной и реактивной мощности, зависящие от отношения диаметра НТ к глубине проникновения тока в металл. Сопротивление Хзд зазора определяют как Идеализированный путь обратного замыкания магнитного потока включает в себя участок внутри индуктора, внешний участок за торцами индуктора и снаружи от него по магнитопроводу (при наличии последнего). Соответствующее этому пути сопротивление обратного замыкания Х0 приближённо находят через сопротивление пустого индуктора х0 = vOfo лгик1 іин К, (4А„Н (&ии - Янг X, )) , где Kj - поправочный коэффициент самоиндукции соленоида, учитывающий его конечную длину и наличие магнитопровода. Метод общего потока позволяет с достаточной точностью определить параметры ЭТУ, если известны её геометрические размеры. Точное исследование электротепловых процессов, происходящих в ЭТУ, возможно только на основе решения многомерных и нелинейных уравнений электромагнитного и температурного полей. ММ электротермических установок в таком случае реализуются в виде программ на ЭВМ, базирующихся на численном решении этих уравнений. При анализе большое значение имеет размерность решаемых задач. Б общем случае последние содержат четыре координаты: три пространственных и одну временную.
Нагрузочные характеристики промышленных преобразователей
Средняя температура металла садки 9 и время цикла плавки Ь сами по себе интегральными параметрами не являются, но при их определении используются интегральные величины (I.I8), (2.21).
Важнейшими интегральными характеристиками процесса плавки являются средняя мощность Pw , потребляемая от источника питания за цикл нагрева, и время цикла -и (I.2I), (I.I8): (3.2) где 15 - энтальпия расплавленного металла при температуре в5 . Показатели (3.1) и (3.2) характеризуют качество согласования Ш с НА в ходе технологического процесса. На математических моделях исследовался процесс плавки мелкой ферромагнитной шихты в тигельной ИПЇЇ при питании от ТП типов СПЧ, СЧГ и ТПОР. При этом оценивались предельные возможности различных преобразователей. Нагрузка ТП в ММ представляет собой параллельный колебательный контур. Каких-либо переключений в нагрузочной цепи (ёмкостей, коэффициента трансформации или автотрансформации) с целью сужения диапазона изменения ЭП в ходе технологического процесса не производилось. Как было указано выше (п.1.2) указанный подход позволяет также определить режимы работы с минимальным числом переключений в нагрузочной цепи, если они имеют место, что является одним из условий рациональной эксплуатации ЭТУ. При расчётах изменялась настройка преобразователя на процесс. Под настройкой на процесс здесь понимается выбор компенсирующей КБ и расчётного момента при выборе параметров системы ИН--НТ. Оптимальная настройка должна обеспечивать наибольший уровень мощности РСР и минимальное время іц . Прогноз оптимальной настройки может быть получен путём решения уравнения (1.28) (программа %Ш$0№АЛ/ГЕ для решения на ЦШ приведена в прил. 3) (1.28) приведено к виду Минимальное уклонение модуля функционала качества J от I имеет место при настройке на середину процесса, т.е. когда выполняется условие равенства параметра Rmih в параллельной схеме НК номинальному сопротивлению йц+ ТП при средней энтальпии садки 0,5 i3 Таким образом, следует ожидать, что настройка на середину обеспечит наибольшую среднюю мощность за цикл РСР и минимальное время Ьц . Этот вывод подтверждается и результатами машинных экспериментов. При исследованиях критерием окончания процесса плавки являлось достижение металлом садки температуры разливки 93 , равной 1650 С и энтальпии 13 - 380 кВт ч/т (для стальной шихты). В результате анализа получено, что настройка преобразователя ІЇЇЧ на середину процесса обеспечивает использование по мощности РИ на 85$. При настройке на начало процесса использование по мощности Рн составляет 67,4$. Изменение выходной частоты/ преобразователя в ходе процесса, вызванное изменением индуктивности ІЙЙ системы ИН-ЕГ, в любом режиме не превосходит разрешённый ГОСТ диапазон // (20%) и составляет не более 15$ максимальной частоты . При этом диапазон изменения частоты д слабо зависит от настройки. Максимальный диапазон Dj (15$) соответствует настройке на середину процесса и в целом принятый алгоритм управления для TIH способствует его сужению. Средняя мощность Рш за процесс плавки при питании от преобразователя ЮТ не зависит от того, в какой части разрешённого ГОСТ диапазона частот /у работает установка. Настройка в нижней или верзшей части диапазона Г/ обеспечивается выбором ёмкости компенсирующей КБ. На рис. 3.4 приведены интегральные характеристики процесса плавки в ИПП при питании от преобразователя серии ТШ. Видно,что выходная мощность Р$ преобразователя в ходе процесса существенно изменяется. Это изменение вызвано изменением ЭП НА в ходе процесса. Для примера на одном рисунке показано также, как изменяется в ходе процесса параметр Рш . Имеет место деформация кривой /?м -Ф1 () по сравнению с исходной, использованной в информационной модели. Все кривые на рис. 3.4 даны в абсолютных единицах (питание ИПП осуществляется от ТШ-250-2,4), причём в качестве аргумента принято модельное время t . Обозначения соответствуют использованным ранее. При питании ИПП от преобразователя серии СЧГ изменение выходной частоты у ТП в ходе процесса также не превосходит разрешенный ГОСТ диапазон Q. и составляет около 17$ максимальной частоты у . Средняя мощность / , за процесс зависит от того, в какой части разрешённого диапазона частот Q: работает преобразователь. При работе СЧГ в нижней части диапазона частот /у и настройке на начало процесса использование по мощности Рн преобразователя составляет 69,8$. При аналогичной настройке и работе в верхней части диапазона / использование по мощности Ри
Выбор способа регулирования, обеспечивающего эффективное согласование преобразователя с изменяющейся электротермической нагрузкой
При исследовании плавильных установок с тиристорними преобразователями на математических моделях предполагалось, что выходное напряжение преобразователя соответствует номинальному напряжению нагрузки. Однако это условие выполняется не всегда. Номинальное напряжение нагрузки может быть иным, так как оно определяется, в первую очередь, конструкцией индуктора, необходимостью полностью использовать установленную мощность компенсирующей конденсаторной батареи и лишь затем требованием согласования его с номинальным выходным напряжением преобразователя.
В том случав если напряжение нагрузки и преобразователя различаются, для согласования рекомендуется использовать трансформатор, который позволяет обеспечить практически любое напряжение. Применение его в плавильных установках даёт возможность гальванически развязать источник питания и нагрузку. Кроме того трансформатор представляет собой универсальное согласующее устройство и его можно использовать в установках с преобразователями любого типа. Применение согласующего трансформатора в ТПЧ третьего поколения не требует разделения компенсирующей конденсаторной батареи на части; собственно компенсирующую и коммутирующую, с включением на вторичной и первичной сторонах трансформатора, так как принципиально необходима индуктивность в цепи коммутации инвертора, роль которой в этом случае может выполнять индуктивность рассеяния обмоток трансформатора.
При эксплуатации ЭТУ с ТЇЇ следует особое внимание уделить вопросам настройки преобразователя на процесс. Настройка должна обеспечивать наилучшее использование ТП по мощности, устойчивую и надёжную его работу в ходе всего технологического процесса. Осуществление каких-либо переключений в силовой части установки в ходе процесса не отвечает требованиям рациональной эксплуатации ЭТУ, а в ряде случаев просто невозможно.
Эксплуатировать ТП серии ТПЧ целесообразно настраивая преобразователь таким образом, чтобы в середине технологического процесса (при средней энтальпии металла) параметры нагрузки являлись номинальными для преобразователя
При этом необходимо, чтобы работа преобразователя происходила в нижней части разрешённого диапазона частот // . Настройка на середину и работа в нижней части разрешённого диапазона частот обеспечивает хорошее использование по мощности, уст ойчивую, надёжную и экономичную эксплуатацию ТИ в ходе технологического процесса.
При использовании в плавильных установках ТП серии СЧГ также необходимо настраивать преобразователь на середину процесса, однако более целесообразной с точки зрения использования по мощности является работа в верхней части разрешённого ГОСТ диапазона частот // . Резонансное регулирование СЧГ в ходе технологического процесса на является оптимальным в энергетическом плане. Рекомендуется модернизировать СУ СЧГ в направлении использования экстремальных алгоритмов регулирования режима. Экстремальное регулирование позволит повысить использование по мощности на 10 - 12%.
При эксплуатации преобразователей серии ТПОР возможна настройка лишь на конец процесса (параметры НА равны номинальным для ТП в конце технологического процесса). В этом случае для улучшения использования по мощности необходимо, чтобы преобразователь работал в верхней части диапазона частот Q .
Одним из условий рациональной эксплуатации ЭТУ является глубокое снижение выходной мощности источника / на этапе тер-мостатирования. При этом для преобразователей ТПЧ и СЧГ можно использовать заложенные в алгоритмах управления возможности по глубокому регулированию режима за счёт регулирования выпрямителя и фазового сдвига в работе инверторных мостов. В преобразователе ТПОР предусмотрена возможность снижения мощности за счёт отстройки выходной частоты ТП от резонансной частоты НА. При низкой добротности НК разрешённого ГОСТ диапазона изменения частоты может оказаться недостаточно для глубокого снижения выходной мощности преобразователя. Рекомендуется отстраивать частоту ТП от резонансной частоты НК путём отключения части компенсирующей К контактным или бесконтактным способом. При этом КБ должна выполняться состоящей из двух частей. Этот способ можно рекомендовать и для применения в установках с преобразователями серии СЧГ, что позволит отказаться от канала фазового регулирования инвертора.
Для сокращения диапазона изменения электрических параметров системы ИН-НТ в ходе процесса плавки возможна организация оптимального графика подгрузки печи шихтой. Этот способ прост, не требует усложнения силовой части установки и не приводит к снижению коэффициента использования дорогостоящей компенсирующей конденсаторной батареи [ЗО] . Сокращение диапазона изменения параметров нагрузки позволит существенно повысить использование преобразователей по мощности. Данная задача требует комплексного подхода в решении вопросов механизации и автоматизации плавильных установок.
