Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1 ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ НОВЫХ СИСТЕМ
ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ И СЕРИЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ 13
1.1.Потери электроэнергии и перерасход ресурсов в существующих сис-
^ темах электропитания 13
1.2. Устройство, принцип действия ТТМ и целесообразность их
использования 26
1.3. Системы питания электролизеров на основе использования
ТТМ 31
Система питания серии электролизеров с последовательным соединением двух ТТМ 32
Система питания серии электролизеров с параллельным соединением последовательных обмоток трансформатора ТТМ 40
Низковольтная система питания электролизеров с малыми потерями электроэнергии 47
Выводы 55
ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ПРОГРАММНЫЕ МОДУЛИ
ДЛЯ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМ
ПИТАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА 57
База данных по стационарным режимам работы ТТМ 5/
Математическая модель для расчета уровней напряжения на зажимах серии электролизеров 63
Аналитические зависимости для коэффициентов трансформации питающего трансформатора и трансформатора ТТМ 63
Методика получения множества дискретных значений выпрямленного напряжения на зажимах серии электролизеров 67
~>
Методика определения коэффициента гармоник выпрямленного напряжения 73
Программный модуль расчета выпрямленного напряжения,
коэффициентов гармоник и выбор сочетаний режимов работы двух
ТТМ в зависимости от ступени регулирования 76
2.3. Зависимости напряжения на зажимах электролизера и серии элек
тролизеров от изменения концентрации глинозема в электролите 91
Изменение напряжения на зажимах электролизера и СЭ 91
Программный модуль для расчета напряжения, сопротивления и противо-ЭДС на зажимах электролизера в зависимости от изменения концентрации глинозема в электролите 94
2.4. Программный модуль для расчета точности стабилизации тока в
контуре серии электролизеров 96
Точность стабилизации при возникновении анодных "вспышек" на отдельных электролизерах 97
Точность стабилизации при изменении величины питающего напряжения 102
2.5. Управление с помощью микропроцессорной системы током
стабилизации в контуре серии электролизеров 108
Выводы 111
ГЛАВА 3 ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ СИСТЕМ
ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ СЕРИЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ С ПИТАЮЩЕЙ
СЕТЬЮ 112
3.1. Математическая модель для исследования электромагнитных
процессов в динамических режимах работы 112
3.1.1 Допущения при составлении математической модели 114
Схемы замещения электрической и магнитной цепи 115
Матричная система дифференциальных уравнений 120
3.2. Алгоритмы естественной коммутации тиристорных ключей, обеспе
чивающие электромагнитную совместимость с питающей сетью в дина
мических режимах работы 129
Одноэтапные алгоритмы 130
Двухэтапные алгоритмы 133
База данных по алгоритмам перевода ТТМ в различные стационарные режимы работы 136
Метод обеспечения электромагнитной совместимости разработанных систем электропитания СЭ с питающей сетью 139
Выводы 144
ГЛАВА 4 РАСЧЕТ И ВЫБОР ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ
ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ 145
Выбор и проверка тиристоров с учетом коммутационных процессов 145
Конструктивная разработка регулирующего органа 164
Компоновка тиристорной и трансформаторной частей регулирующего органа 168
Ошиновка для связи между ключами и ключей с вольтодобавочным трансформатором 171
Требования к конструкции трансформаторного оборудования 171
Мониторинг, обеспечивающий быстрый поиск пробитого тиристора для его замены 172
4.7. Контроллер системы управления бесконтактной системой
питания 176
4.8. Экономическая эффективность использования предлагаемой
системы питания 179
Выводы 183
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 184
ЛИТЕРАТУРА 186
ПРИЛОЖЕНИЕ А 197
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 205
ПРИЛОЖЕНИЕ В 219
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 230
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 243
АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 248
Введение к работе
В настоящее время одним из приоритетных направлений в области электроэнергетики являются разработки, связанные с улучшением качества электроэнергии, ее экономии, а также снижение затрат электротехнических материалов на изготовление систем питания мощных электроприемников различного функционального назначения.
Серии электролизеров (СЭ) цветных металлов (алюминия, цинка и др.) и некоторых химических веществ (натрий, хлор) являются крупными потребителями электроэнергии постоянного тока с выпрямленным напряжением (300 - 1000) В и токами (12,5 - 300) кА. Например, мощная СЭ алюминия потребляет в год свыше 1 млрд. кВт-ч электроэнергии, а повышение ее КПД на 1% сокращает потери электроэнергии более чем на 15 млн. кВт-ч в год.
Системы электропитания серий электролизеров, которые используют в своем составе механические контакторные устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) трансформаторов широкого диапазона мощностей, а также некоторые тиристорно-контактные устройства для РПН преобразовательных трансформаторов исследованы в работах Ю.И. Хох-лова, Я.Л. Фишлера, Р.А. Урманова, Л.А. Пестряевой, А.В. Виноградова, B.C. Шлентова, Б.Ю. Алтунина, А.А. Асабина, А.И. Чивенкова.
Достижения в области информационной и силовой электроники в настоящее время позволяют разрабатывать бесконтактные системы питания СЭ. По условиям технологии процесса электролиза необходимо регулировать напряжение на зажимах серии электролизеров для стабилизации выпрямленного тока с точностью (0.1-0.2)% от его номинального значения. Благодаря стабилизации тока повышаются производительность, коэффициент извлечения металла и его качество. Например, алюминий при плохой стабилизации тока становится рыхлым по структуре.
Стабилизация тока в контуре СЭ, обусловленная требованиями технологического процесса, осуществляется в настоящее время путем меха-
нического переключения отводов регулировочных обмоток преобразовательных трансформаторов. В существующих системах решение задачи стабилизации тока (до 1% от номинальной величины) выполняют преимущественно путем использования дросселей насыщения. Они вызывают дополнительное потребление реактивной мощности из питающей сети, а также увеличение потерь электроэнергии в связи с их низкой добротностью. Механический и электрический износ контактов весьма существенно уменьшает долговечность и надежность устройств регулирования напряжения под нагрузкой (РПН). С целью снижения электроизноса контактов устройства РПН включают исключительно в состав высоковольтных (первичных) обмоток преобразовательных трансформаторов.
Регулирование напряжения в диапазоне (20 - 100)%1/н по условиям технологии выполняют за счет уменьшения величины магнитного потока в стержнях магнитопровода. Этого достигают путем увеличения числа витков в составе высоковольтных (первичных) обмоток упомянутых трансформаторов. Последнее увеличивает габаритную мощность преобразовательных трансформаторов по сравнению с их электрической мощностью. Например, используемый в настоящее время для электролиза алюминия трансформатор ТДНП 25000/10У1 имеет габаритную мощность 25000, а его электрическая мощность составляет всего 12400кВА. При этом затраты активных материалов на изготовление трансформаторов с механическими РПН увеличиваются в 1,5-2 раза. Коэффициент полезного действия этих трансформаторов по сравнению с сетевыми существенно уменьшается и при регулировании напряжения, например, на уровне середины диапазона составляет всего 0.97. Учитывая сказанное выше, проектирование и внедрение новых ресурсо- и энергосберегающих систем электропитания СЭ является весьма актуальным. Это подтверждается тем, что ресурсо- и энергосбережение являются основой "Концепции энергетической политики России на ближайшую перспективу".
Цель работы.
Решение комплекса вопросов, связанных с разработкой систем питания серий электролизеров, выполненных на новой технической основе, которые позволяют устранить недостатки существующих систем питания.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
анализ существующих систем питания серий электролизеров и методов стабилизации тока;
разработка принципов построения новых бесконтактных систем питания серий электролизеров;
разработка новых бесконтактных систем питания на базе трансформа-торно-тиристорных модулей, расчет и выбор элементов этих систем;
разработка математических моделей для исследования электромагнитных процессов в стационарных и переходных режимах работы систем электропитания серий электролизеров;
развитие информативной основы в виде баз данных для оптимизационных расчетов и выбора параметров систем питания серии электролизеров;
разработка методики расчета уровней выпрямленного напряжения на зажимах серии электролизеров;
разработка алгоритмов стабилизации тока серии электролизеров или отдельного электролизера в зависимости от изменения условий протекания процесса электролиза;
- разработка методов обеспечения электромагнитной совместимости
новых систем электропитания серий электролизеров с питающей се
тью.
Методы исследования.
Стационарные режимы работы систем питания серий электролизеров на базе ТТМ исследовались с помощью теории линеных электрических цепей. Для расчета уровней выпрямленного напряжения на зажимах серии использовался метод выделения "полезной" составляющей. Исследование электромагнитных и коммутационных процессов в переходных режимах ра-
боты системы питания выполнено на основе общего метода режимных расчетов нелинейных электромеханических устройств. При построении математической модели использовалась матричная форма записи систем уравнений. На основе математической модели выполнен расчет с использованием метода переменной структуры системы дифференциальных уравнений, что существенно сокращает порядок матриц в различных режимах работы устройства. При разработке нового способа реализации электромагнитной совместимости с питающей сетью использованы алгоритмы быстрого преобразования Фурье.
Научная новизна.
Получены теоретические и прикладные результаты в области разработки бесконтактных ресурсо- и энергосберегающих систем питания серий электролизеров и отдельных электролизеров на базе трансформаторно-тиристорных модулей:
Разработаны принципы построения новых бесконтактных систем питания серий электролизеров, из которых исключены механические устройства и контакты, габаритная мощность трансформаторного оборудования этих систем снижена до уровня электрической мощности, обеспечено преобразование электроэнергии с меньшими её потерями, а также обеспечена стабилизация тока на уровне 0.1% от номинального значения, удовлетворяющая требованиям технологии;
Развита информативная основа в виде баз данных, которая необходима для расчета и выбора параметров регулирующих органов разработанных систем питания серий электролизеров. В результате проведенного поиска получен идентификатор, позволяющий распределять все множество стационарных режимов базы данных на их отдельные группы по величине уровней напряжения на зажимах серии электролизеров;
Разработана методика расчета полного множества уровней выпрямленного напряжения на зажимах серии электролизеров, в которой применены комплексные коэффициенты базы данных, что позволяет опрё-
делить минимальную ступень регулирования напряжения, необходимую для поддержания стабилизированного тока заданной величины;
Разработана математическая модель в виде двух систем дифференциальных уравнений, которая ориентирована на использование алгоритмов переключения тиристорных ключей с естественной коммутацией в соответствии с разработанной базой данных и позволяющая исследовать электромагнитные процессы в стационарных и переходных режимах работы бесконтактных систем питания серий электролизеров;
Предложен новый способ обеспечения электромагнитной совместимости бесконтактных систем электропитания серий электролизеров с питающей сетью, который отличается реализацией аппаратной части и программным обеспечением компенсации высших гармонических потребляемого тока, и позволяющий в реальном масштабе времени отслеживать изменение формы тока с помощью алгоритмов быстрого преобразования Фурье.
Практическая ценность результатов работы.
Разработано несколько вариантов новых систем питания серий электролизеров и отдельных электролизеров, которые по сравнению с существующими системами электропитания серий электролизеров позволяют экономить электроэнергию на уровне 2% от всей потребляемой;
Разработан программный комплекс, позволяющий определить точность стабилизации тока нагрузки серии электролизеров для различных бесконтактных систем электропитания;
Разработаны специальные схемы соединения обмоток питающего трансформатора и трансформаторно-тиристорных модулей, которые сокращают расходы активных материалов в 1.5-2 раза на изготовление бесконтактных систем электропитания серий электролизеров;
Выполнено моделирование на ЭВМ коммутационных процессов, в результате которого установлено, что динамические параметры (di/dt, du/dt и время выключения) мощных тиристоров трансформаторно-
тирсторных модулей удовлетворяют требованиям бесконтактных систем электропитания серий электролизеров;
5. Разработана микропроцессорная система управления на основе DSP-контроллера, которая позволяет программным методом исключить высшие гармонические тока, потребляемого из питающей сети.
Реализация результатов работы.
Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, использованы:
при создании действующего макета трансформаторно-тиристорного модуля в ЗАО "Стромизмеритель" (г. Нижний Новгород); работа выполнена по х/д №2000/1439, заключенного между НГТУ и ЗАО "Стромизмеритель";
при проектировании новой мощной серии электролизеров (до 250МВ-А) для получения алюминия в ОАО "Уралэлектротяжмаш"; при разработке использованы материалы патента России №2214028, кл. 7H02J3/18, Н05В6/06 - способ регулирования параметров электроэнергии в трехфазных сетях и устройство для его осуществления /И.М. Туманов, А.В. Богатырева и др., //бюллетень, 2003, №28; свидетельство об официальной регистрации базы данных №2002620026 - параметры электроэнергии на выходных зажимах трансформаторно-тиристорного модуля при различных режимах его работы /И.М.Туманов, А.В. Богатырева и др., //реестр баз данных, 2002; а также материалы заявки №2002106520 на патент от 13.03.02 "Способ стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в системах электропитания серии электролизеров и устройство для его осуществления" / И.М. Туманов, А.В. Богатырева и др.; все эти материалы получены автором в ходе выполнения диссертационной работы;
при разработке новых учебных курсов для магистров направления 550700 "Электроника и микроэлектроника" в соответствии с магистерской программой 550718 "Промышленная электроника и микропроцессорная техника" по дисциплинам "Трансформаторно-тиристорные модули для
повышения эффективности использования электроэнергии" и "Бесконтактные системы группового питания электроприемников".
Апробация работы.
Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы были доложены на Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (Чебоксары, 2002), VII сессии молодых ученых (Нижний Новгород, 2002), XXI научно-технической конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики» (Нижний Новгород, 2002), научно-техническом форуме «Будущее технической науки Нижегородского региона» (Нижний Новгород, 2003), IX международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2003).
Публикации.
По результатам исследований опубликовано 16 работ. В том числе получены: патент России на изобретение №2214028 и свидетельство об официальной регистрации базы данных №2002620119.
