Введение к работе
Актуальность проблемы. В современном производстве широкое применение получили энергоемкие электротехнолопгческие установки, наиболее мощными из которых яшшотся дуговые сталеплавильные печи (ДСП). Причем доля мирового производства стала в ДСП непрерывно возрастает и в настоящее время превышает 25% общего производства стали.
Увеличение производства стали в ДСП определяется рядом причин, в том числе тем, что в ДСП могут выплавляться любые марки стали, включая и высококачественные, специальные, а процесс ведення плавки поддается в высокой степени регулированию, автоматизации, программированию и т.д. Одновременно возрастают емтосги электропечей и мощности печных трансформаторов. Например, мощность печного трансформатора отечественной базовой дуговой электропечи емкостью 100 тонн за двадцать лет увеличилась с 25 МВА до 30 MB А.
С ростом мощностей ДСП и интенсификацией процесса плавки повышаются требования к качеству управления режимом работы ДСП, особенно в период расплавления металла, характеризующегося максимальным потреблением электроэнергии и искажениями в питающей системе электроснабжения (СЭС) в виде отклонений, колебаний, несимметрии и несинусоидальности напряжений.
Поэтому важное значение приобретает вопрос разработки методов определения допустимых показателей качества напряжения, в частности, искажения синусоидальности кривой напряжения, создаваемых резкоперемеиной и нелинейной нагрузкой ДСП на собственных шинах питания и в системе электроснабжения в целом, что позволит полнее и глубже решать проблемы рационального построения систем электроснабжения промышленных предприятий, эксплуатирующих ДСП, с целью обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) нагрузки ДСП с питающей сетью и снижения затрат на обеспечение качества электроэнергии, а также вклада гармонических составляющих нелинейной нагрузки ДСП в частотные характеристики системы электроснабжения.
Постановке, решению и анализу этих задач посвящена настоящая диссертационная работа.
Работа выполнялась по плану НИР Тол'ПИ, тема «Развитие теории электросбережешгя электротехнологических процессов», г/б № 03540.
Цель работы. Целью работы является разработка динамических моделей дуговых сталеплавильных печей по гармоническим составляющим тока и напряжения и их влиянию на систему электроснабжения. В соответствии с указанной целью поставлены следующие задачи исследования:
1.Разработать метод расчета и степень участия параметров системы электроснабжения, особенно типа трансформаторов ПИТ (двухобмоточных,
трехобмоточных, с расщепленными обмотками), для определения электрических и рабочих характеристик ДСП.
2.Разработать динамическую модель системы автоматического регулирования ДСП.
3 .Исследовать характер изменения уровней высших гармоник тока и напряжения, создаваемых переменной нелинейной нагрузкой ДСП, на шинах их питания и в системе электроснабжения.
4.Разработагь методы оценки электромагнитной совместимости ДСП с питающей системой электроснабжения на собственных шинах питания с учетом требований к допустимому значению коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и с точках общего присоединения, удаленных по питающей системе электроснабжения от шин дуговых электропечей.
Методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач использовались методы математического моделирования систем электроснабжения ДСП и их режимов работы, базирующихся на основных законах электротехники, теории автоматического регулирования. Обоснованность и достоверность научных положений, теоретических выводов, основных результатов к рекомендаций диссертации подтверждены их экспериментальной проверкой в реальных системах электроснабжения ДСП действующих предприятий
Основные положения, выносимые на зепциту.
1.Метод расчета коэффициента потерь мощности и выявление его возможных значений для определения электрических и рабочих характеристик ДСП в существующих схемах электроснабжения, а также показателей качества электрической энергии.
2.Метод определения частотной характеристики системы автоматического регулирования дуговой электропечи, устанавливающего взаимосвязь между параметрами печного контура и переменными параметрами питающей сети.
3.Методику и алгоритм расчета высших гармоник тока и напряжения электрического дугового разряда ДСП с учетом переменных параметров питающей системы электроснабжения.
4.Математическую модель схемы питания ДСП при прохождении через нее высших гармоник тока и напряжения, генерируемых нелинейной нагрузкой электропечи.
5.Условия электромагнитной совместимости ДСП с питающей системой электроснабжения, сочетающие с одной стороны трсбовашЕЯ к параметрам питающей сети в виде допустимых отклонений и колебаний напряжения и коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, максимальных и минимальных значений мощности короткого замыкания на шинах питания с учетом допустимой нагрузки ДСП, а с другой стороны требования ГОСТ
13109-97 к коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в точках общего присоединения.
Научная новизна. Предложены значения длл коэффициента потерь мощности в системе электроснабжения, а также аналитические выражения дол его определения, позволлющиг достаточно точно для практических расчетов определять характеристики нагрузки для любых режимов работы пеня с учетом параметров питающей системы электроснабжения.
Получены аналитические выражения для определения частотных характеристик системы автоматического регулирования ДСП. Показано, что электрическая дуга является высокочастотным ззеном в системе электроснабжения ДСП. В первые показана связь ее частотной характеристики как с параметрами печного контура, так я с параметрами питающей сети.
Получены аналитические связи между параметрами нагрузки ДСП, питающей системой электроснабжения н высшими гармониками тока и напряжения, генерируемыми ДСП.
Разработан обобщенный метод нормирования коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения на собственных шинах питати ДСП с учетом обеспечения электромагнитной совместимости с питающей системой электроснабжения.
Практическая ценность работы. Получены значенім и аналитические выражения для определения коэффициента потерь мощности, позволяющие повысить точность расчета электрических и рабочих характеристик ДСП, а также показателей качества электрической энергии, в частности, коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения.
Разработан инженерный метод, позволяющий по известным или заданным параметрам питающей системы электроснабжения и печного контура дуговой электропечи определять с высокой точностью уровень высших гармоник, создаваемых, нелинейной нагрузкой ДСП, как в точках общего присоединения к электрическим сетям, так и на границе балансовой принадлежности.
Разработана программа по предложенному алгоритму, позволяющая автоматизировать расчет коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в любой точке питающей сети.
Предложенная методика нормирования коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения позволяет определить областе допустимых режимов работы ДСП, а также выбрать наиболее рациональную схелгу электроснабжения дугозоя электропечи.
Реализация результатов работы. Проведены исследования и выданы рекомендации по снижению величины ежегодного экономического ущерба, обусловленного несинусоидальностью кривой напряженім на тинах 10 кВ ГПП-3 Волжского азтомобильисго завода, за счет оптимального режима ведення плавки и выбора параметров питающей сети на илгаах питания ДСП-40. Алгоритм и программа для определения значений коэффициента искажений
синусоидальности кривой напряжения в любой точке питающей системы электроснабжения переданы в энергетическое производство Волжского автомобильного завода.
Основные результаты работы используются б учебном процессе при чтении лекций и выполнении курсовых и дипломных проектов по специалыюсга 1004 «Электроенабжехше промышленных предприятий» в Толыгтшском политехническом институте.
Апробация работы. Оскозные теоретические положения и результаты
диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI научно-
технической конференции "Технико-экономические проблемы оптимизаций
режимов злектропотреблекия промышленных предприятий" (г. Челябинск, І991
г.), ХП сессни Всесоюзного научного семинара "Кибернетика электрических
систем" (г. Гомель, 1991 г.), научно-технической и методической конференции
"Энергоснабжение, злектропотреблеігае, электрооборудование"
(г.Новоліосковск, 1994 г.), на XXI сессии Всероссийского семинара "Кибернетика электрических систем" (г.Новочеркасск, 1999 г.), научно-практических конференциях по итогам научно-исследовательских работ Тольлгтинского политехнического института (г.Тольятти, 1996... 1999 гг.), научных семинарах кафедры ЭПП и электротехнического факультета Тольяттинского политехнического института. По результатам исследований выполнено два научно-технических отчета, зарегистрированных во ВНИТИЦ г.Москва.
Публикации. По результатам работы опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 108 наименований, и приложения; содержит 127 стр. основного текста, 49 стр. иллюстраций и 25 стр. таблиц, 9 стр. приложений.
