Введение к работе
Актуальность темы. На современном этапе развития экономики важнейшей среди межотраслевых проблем является энергосбережение. Практически неограниченные резервы энергосбережения имеются в черной металлургии, предприятия которой потребляют около 18% вырабатываемой в стране электроэнергии. В связи с ростом цен на энергоносители составляющая энергозатрат в себестоимости товарной продукции металлургических предприятий достигает 40^5%.
Значительный процент экономии может быть получен за счет улучшения энергетических показателей тиристорных электроприводов (ЭП) прокатных станов, как наиболее энергоемких потребителей металлургического производства. Такие электроприводы выполняются, как правило, с двухзонным регулированием скорости (ДЗРС). Основная причина ухудшения энергетических показателей тиристорных ЭП вызвана потреблением реактивной мощности, связанным с фазовым регулированием выпрямленного напряжения. Уровень потребляемой реактивной мощности находится в прямой зависимости от величины запаса тиристорного преобразователя (ТП) по ЭДС, т.е. от разности между максимальной выпрямленной ЭДС при нулевом угле управления и фактической ЭДС в установившемся режиме работы под нагрузкой.
Актуальность задачи снижения электрических потерь без применения компенсирующих устройств и повышения устойчивости прокатки обостряется в связи с переходом широкополосных станов на производство толстых полос из труднодеформируемых марок стали, прокатка которых ведется на низких скоростях, с высокими обжатиями и, соответственно, при значительных отклонениях напряжения сети.
В последние десятилетия работы в этом направлении проводились рядом отечественных организаций и зарубежных фирм. Так, в диссертационной работе разработана концепция тиристорных ЭП, обеспечивающих улучшение энергетических показателей за счет перераспределения запаса выпрямленной ЭДС в установившемся и динамических режимах. Разработаны системы ДЗРС, обеспечивающие реализацию данной концепции. Однако, известные разработки не могут обеспечить максимально возможного снижения запаса выпрямленной ЭДС без ухудшения динамических показателей электропривода.
Официальным подтверждением обоснованности принятого направления исследований является следующее:
1. Исследования выполнялись в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по контракту на 2010-2012 годы.
1' Головин В.В. Разработка автоматизированных электроприводов прокатных станов с улучшенными энергетическими показателями // Дис... канд. техн. наук. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2006.- 177 с.
2. В 2009 г. получен грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых ученых (руководитель доц. В.Р. Храмшин).
Целью диссертационной работы являются разработка и промышленное внедрение энергосберегающих автоматизированных электроприводов прокатных станов, обеспечивающих снижение потерь электрической энергии за счет уменьшения потребления реактивной мощности.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
Анализ причин ухудшения энергетических показателей тиристорных электроприводов широкополосного стана горячей прокатки.
Экспериментальные исследования напряжения секций 10 кВ стана 2000 ОАО «ММК» и динамических режимов электроприводов за цикл прокатки.
Разработка системы управления возбуждением двигателя, обеспечивающей запас выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, необходимый для безопасного инвертирования при отклонениях напряжения сети.
Разработка электроприводов с двухзонным регулированием скорости с переключающимися структурами, обеспечивающих снижение потребления реактивной мощности.
Разработка математических моделей. Исследование методами математического моделирования.
Разработка экспериментальной установки. Исследования в лабораторных условиях.
Промышленное внедрение предложенной комбинированной системы двухзонного регулирования с переключающейся структурой на стане 2000 ОАО «ММК». Опытно-промышленные испытания. Оценка технико-экономической эффективности.
Методика проведения исследований. В работе использованы базовые положения теории электропривода, теории автоматического управления, методы операционного исчисления и математической статистики. Теоретические исследования проводились с использованием аппарата передаточных функций, методов структурного моделирования. При моделировании использовался программный пакет MATLAB, а также входящий в его состав пакет визуального программирования SIMULINK. Экспериментальные исследования проводились на созданной экспериментальной установке, а также на действующем прокатном стане путем прямого осциллографирования параметров электроприводов с последующей обработкой результатов.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтвердившие, что ухудшение энергетических показателей тиристорных электроприводов клетей широкополосного стана 2000 горячей прокатки вызвано динамическим запасом выпрямленной ЭДС, составляющим 23,6% максимальной выпрямленной ЭДС или 27,1% номинального выпрямленного напряжения.
Способ и система двухзонного регулирования скорости с автоматическим регулированием уставки ЭДС в функции напряжения сети, обеспечивающие запас выпрямленной ЭДС ТП, необходимый для безопасного инвер-
тирования, за счет автоматического пропорционального снижения ЭДС двигателя при отклонениях напряжения сети.
3. Способы и системы ДЗРС с переключением координаты, регулируемой по цепи возбуждения, и автоматическим изменением задания ЭДС, обеспечивающие уменьшение запаса выпрямленной ЭДС путем ее ограничения на номинальном уровне в течение всего цикла работы под нагрузкой.
4. Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований, выполненных на созданной лабораторной установке, подтвердившие улучшение энергетических показателей электроприводов за счет снижения максимального выпрямленного напряжения тиристорного преобразователя на 12-15% при сохранении высоких динамических характеристик.
5. Результаты внедрения и опытно-промышленных испытаний разработанной системы ДЗРС с переключающейся структурой в электроприводах стана 2000 ОАО «ММК», подтвердившие экономию электрической энергии в объеме 1,87 млн. кВт-ч/год за счет снижения потребления реактивной энергии без применения компенсирующих устройств.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением методов математического моделирования, использованием реальных характеристик действующего оборудования, адекватностью расчетных и экспериментальных данных, результатами экспериментальных исследований разработанных систем на лабораторной установке и на действующем стане 2000 горячей прокатки ОАО «ММК».
Научная новизна.
В работе получены следующие новые научные результаты:
В системе двухзонного регулирования скорости с автоматическим регулированием уставки ЭДС в функции напряжения сети реализован принципиально новый способ автоматического регулирования ЭДС двигателя пропорционально отклонению напряжения сети, обеспечивающий запас выпрямленной ЭДС ТП, необходимый для безопасного инвертирования.
Разработан и технически реализован способ двухзонного регулирования скорости с автоматическим регулированием задания выпрямленной ЭДС ТП в функции тока нагрузки, обеспечивающий отработку ударного приложения нагрузки и режима ускорения электропривода под нагрузкой без превышения выпрямленной ЭДС ТП установившегося значения.
Разработаны способ управления возбуждением и электропривод с переключающейся структурой, обеспечивающие ограничение перерегулирования выпрямленной ЭДС ТП в начальный момент ускорения электродвигателя под нагрузкой.
Разработана комбинированная система двухзонного регулирования скорости с переключением координаты, регулируемой по цепи возбуждения, и автоматическим изменением задания ЭДС, обеспечивающая уменьшение запаса выпрямленной ЭДС путем ее ограничения на номинальном уровне в течение всего цикла работы под нагрузкой.
5. В результате моделирования и экспериментальных исследований установлено, что координаты электропривода в динамических режимах за цикл прокатки в существующей и разработанных системах отличаются не более чем на 2,5-5%. Следовательно, применение разработанных систем не приведет к отклонению параметров прокатки и нарушению технологического процесса.
Практическая ценность и реализация работы.
1. Разработанные системы двухзонного регулирования позволяют практически реализовать принципиально новые способы автоматического управления возбуждением тиристорных электроприводов, обеспечивающие улучшение энергетических показателей за счет снижения потребления реактивной мощности.
Разработанная комбинированная система двухзонного регулирования скорости внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию в чистовой группе стана 2000 ЛПЦ-10 ОАО «ММК». В ходе экспериментов, проведенных на стане, подтверждены работоспособность и высокая техническая эффективность ее применения.
Показано, что за счет внедрения разработанной системы и проведения мероприятий по снижению запаса выпрямленной ЭДС тиристорных преобразователей экономия электрической энергии составляет 1,87 млн. кВт-ч/год. Расчетный экономический эффект в денежном выражении превышает 2,7 млн. руб./год.
Разработанные системы ДЗРС рекомендуются для внедрения на других широкополосных станах горячей прокатки. Преимуществом систем является высокая эффективность при практическом отсутствии капитальных затрат. Рекомендуется использование результатов исследований в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на VI Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2010 (Тула, 2010 г.); международной научно-практической конференции «Интех-мет-2008» (Санкт-Петербург, 2008 г.); международной научно-технической конференции специалистов ОАО «ММК» (г. Магнитогорск, 2009 г.), международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2009 г.); I международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Челябинск, 2009 г.); V международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2010 г.); Всероссийской конференции «Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения» (Уфа: УГАТУ, 2010 г.); VII-ой Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Красноярск, 2011 г.); на ежегодных научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ (Магнитогорск, ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2008-2011 гг.); на расширенном заседании
кафедры электротехники и электротехнических систем ФГБОУ ВПО «МГТУ» (февраль 2012 г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 14 печатных трудах, в том числе 4 в рецензируемых изданиях. Получено решение о выдаче патента РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 105 наименований. Работа изложена на 162 страницах основного текста, содержит 48 рисунков, 12 таблиц и приложение объемом 12 страниц.
