Введение к работе
Актуальность работы. В современных условиях большинство электроприводов переменного тока, введенных в эксплуатацию с момента основания предприятий в прошлом веке, начиная с 30- г.г. и до 90- х продолжают оставаться нерегулируемыми. Наиболее затратным по электропотреблению является металлургическое производство, где сосредоточено большое многообразие электроприводов. На крупных металлургических предприятиях с полным производственным циклом, электроприводы переменного тока являются преобладающими как по количеству, так и по совокупной установленной мощности. В этой отрасли производства особое внимание необходимо обратить на состояние электроприводов агрегатов в сфере горно-обогатительного производства, где проблемы состояния электроприводов проявляются наиболее остро.
Отсутствие регулирования в асинхронных электроприводах не позволяет обеспечить высокую надежность эксплуатации электрического и механического оборудования технологических агрегатов горно-обогатительного и в целом металлургического производства. Одной из главных причин снижения надежности эксплуатации асинхронных электроприводов является то, что по мере снижения эксплуатационного ресурса электродвигателей все чаще возникают отказы, которые проявляются в самых тяжелых для АД режимах, а именно в пусковых. Высокая кратность значений момента и тока в этом режиме приводит к ускоренному износу оборудования, оказывает негативное влияние на работу системы электроснабжения и является основной причиной возникновения аварийных отказов агрегатов и выхода из работы производственных участков. В этой связи количество допустимых прямых пусков мощных электродвигателей лимитировано и по этой же причине часто многие электроприводы переменного тока большой мощности не отключают, оставляя их в режиме холостого хода при снятии технологических нагрузок.
Особого внимания требует высоковольтный электропривод, проблемы пуска которого в настоящее время решаются только для единичных устройств. Стоимостные показатели серийных высоковольтных полупроводниковых устройств пуска в настоящее время продолжают оставаться высокими и срок их окупаемости многократно превышает нормативное время. Все это препятствует массовому применению известных технических устройств, поставляемых на электротехнический рынок.
В этой связи актуальными являются задачи, связанные с разработкой альтернативных способов пуска мощных электроприводов переменного тока и объектно-ориентированных устройств.
Данная работа выполнялась в рамках мероприятий, обозначенных в федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы, по мероприятию 1.2.1 «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук», по конкурсу № НК-66П «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии», по проблеме «Создание и внедрение энергосберегающих систем управления электроприводами переменного тока оборудования металлургических агрегатов на ОАО «ММК».
Цель работы. Повышение технико-экономических показателей эксплуатации высоковольтных электроприводов переменного тока на основе разработки ресурсосберегающих объектно-ориентированных пусковых устройств.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:
1. Анализ состояния электроприводов переменного тока (на примере ГОП
ОАО «ММК»), способов и устройств реализации пуска в промышленности
2. Разработка и развитие концепции создания объектно-ориентированных
пусковых устройств для высоковольтных электроприводов переменного то
ка
Обоснование теоретических и технических основ создания трансформаторно-тиристорных пусковых устройств и уточнение алгоритмов управления тиристорами ТІШ.
Разработка математической модели системы «асинхронный двигатель -трансформаторно-тиристорное пусковое устройство» и исследование пускового процесса на модели.
Проведение экспериментальных исследований процессов пуска на физической модели и определение перспектив реализации данного устройства для высоковольтных электроприводов переменного тока.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались основные положения теории электромеханического преобразования энергии в электрических машинах, процессов в трансформаторах, а также особенностей, вносимых тиристорными преобразователями напряжения.
Моделирование системы велось в среде MatLab с использованием встроенных функций аппроксимации и интерполяции данных. Исследование возможностей пускового устройства проводилось в расширении SimPowerSistems среды MatLab с применением стандартных библиотечных блоков и встроенных средств визуализации данных. Экспериментальные исследования проводились на физической модели, в которой реализована система асинхронного электропривода с трансформаторно-тиристорным пусковым устройством.
К защите представляются следующие основные положения:
Результаты анализа состояния электроприводов переменного тока (на примере ГОП ОАО «ММК»), способов и устройств реализации пуска и обоснование концепция создания объектно-ориентированных пусковых устройств для высоковольтных электроприводов переменного тока.
Обоснование силовой схемы трансформаторно-тиристорного высоковольтного пускового устройства и алгоритмов управления тиристорами.
Математическая модель асинхронного электропривода по системе «трансформаторно-тиристорное пусковое устройство - АД», реализующая пусковые режимы двигателя.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные на математической и физической моделях, позволяющие определить основные характеристики пускового режима электропривода с трансформаторно-тиристорным пусковым устройством.
Научная новизна: В процессе решения поставленных задач были получены следующие новые научные результаты:
Обоснована концепция создания объектно-ориентированных пусковых устройств для высоковольтных электроприводов переменного тока.
Разработана новая силовая схема трансформаторно-тиристорного высоковольтного пускового устройства и математическая модель электропривода, реализующая пусковые режимы в системе «пусковое устройство-АД».
В результате теоретических исследований на математической модели и экспериментальных на физической модели определены основные характеристики пускового режима электропривода с транс форматорно-тиристорным пусковым устройством.
Обоснована возможность реализации объектно-ориентированных пусковых устройств для высоковольтных асинхронных электроприводов с трансформаторами на основе магнитопроводов упрощенных конструкций.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются тем, что в основе модели системы «Трансформа-торно-тиристорное пусковое устройство - асинхронный двигатель», с помощью которой проводилось исследование режима каскадного пуска асинхронных двигателей, лежит математическое описание, базирующееся на строгом учете физических процессов в асинхронных электродвигателях с использованием известного в теории электромагнитного и электромеханического преобразования энергии математического аппарата. Моделирование типовых процессов в электроприводе с помощью вновь созданного математического аппарата дало результаты, сходные как по характеру, так и количественно с данными, полученными при использовании проверенных на практике методик математического моделирова-
ния. Экспериментальные исследования, проведенные на физической модели подтвердили основные результаты, полученные на модели.
Практическая ценность работы заключается в том, что предложенная концепция создания объектно-ориентированных пусковых устройств для высоковольтных асинхронных электроприводов способствует созданию более простых по конструкции и соответственно дешевых по стоимости установок. Предложенное пусковое устройство способствует решению задач энерго,- и ресурсосбережения в промышленных устройствах с высоковольтными электроприводами. При этом экономия электроэнергии достигается за счет улучшений условий пуска, что позволяет осуществлять своевременное отключение мощных электроприводов при снятии технологических нагрузок. Ресурсосбережение достигается за счет снижения и практически полного устранения колебаний пускового момента, а также решения задач ограничения пусковых токов, что позволяет увеличить межремонтный период эксплуатации и соответственно эксплуатационные расходы. Полученные результаты могут быть использованы при подготовке бакалавров и магистров направления подготовки 140000 «Энергетика, энергетическое машиностроение и электротехника»
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2010 (г. Тула); международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» г. Одесса (Украи-на)2009г.; третьем международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении», Челябинск, 2010г., 66-69-й научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ (МГТУ) и научно-технических семинарах по проблемам электроприводов переменного тока.
Диссертационная работа рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры электроники и микроэлектроники института энергетики и автоматики ФГБОУ ВПО «МГТУ» (январь 2012 г.)
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 10 печатных трудах, в том числе 3 статьях, изданных в рецензируемых источниках, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 67 наименований и приложений. Работа изложена на 131 страницах, содержит 63 рисунков и 5 таблиц.
