Анализ составляющих запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя электропривода клети широкополосного стана горячей прокатки

Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: путиразвития» (АЭП-2004). Ч. 2. Магнитогорск, 2004. С. 260-264.

4. Карандаев А.С., Радионов А.А., Головин В.В. Система двухзонного зависимого регулирования скорости в функции вы -прямленной ЭДС тиристорного преобразователя // Изв. вузов. Электромеханика. 2004. № 2. С. 40-46.

5. Сарваров А.С. Энергосберегающий электропривод вентиляторных механизмов по системе НПЧ-АД с программным формированием напряжения: Автореф. дис. ... д-ратехн. наук. Челябинск: ЮУрГУ, 2002. 36 с.

6. Сарваров А.С. Асинхронный электропривод на базе НПЧ с программным формированием напряжения: Монография. Магнитогорск: МГТУ, 2002. 236 с.

7. Лукьянов С.И. Электропривод тянуще-правильного устройствам НЛЗ: Монография. Магнитогорск: МГТУ, 2002. 100 с.

8. Селиванов И.А., Лукьянов Д.С. Исследование моментов нагрузки электроприводов тянущих роликов горизонтального участкамашины непрерывного литья заготовок // Изв. вузов. Электромеханика. 2004. № 2. С. 53-57.

9. Система автоматического регулирования натяжения и высоты петли с перекрестными связями для широкополосного стана горячей прокатки / А.С. Карандаев, С.А. Евдокимов, А.А. Чертоусов // Изв. вузов. Электромеханика. 2004. № 2. С. 21-27.

10. Совершенствование системы автоматического регулирования натяжения полосы непрерывного широкополосного стана горячей прокатки / А.С. Карандаев, В.Р. Храмшин, А.А. Чертоусов идр. // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы Междунар. науч.-техн. конф., 20-22 октября 2005 г. Томск: ТПУ, 2005. С. 293-296.

11. Компьютерная система регистрации параметров и диагностики технического состояния электрооборудования и систем автоматизации широкополосного стана горячей прокатки / С.А. Евдокимов, А.С. Карандаев, А.А. Чертоусов и др. // Вестник УГТУ-УПИ. Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы: Сборник статей. Ч. I: Общие вопросы электрических машин и трансформаторов. Машинно-вентильныесистемы. Вопросы диагностики. Екатеринбург: ГОУВПОУГТУ-УПИ, 2003. № 5 (25). С. 428-431.

12. Система технического мониторинга автоматизированных электроприводов широкополосного стана горячей прокатки / С.А. Евдокимов, А.С. Карандаев, А.Л. Копцев и др. // Изв. вузов. Электромеханика. 2004. № 2. С. 31-39.

13. Новые информационные технологии для технического обслуживания и диагностирования электроприводов технологических агрегатов / С.А. Евдокимов, К.Э. Одинцов, В.Б. Славгородский // Труды IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (АЭП-2004). Ч. 1. Магнитогорск, 2004. С. 258-264.

УДК 621.314.001.5

В.В. Головин

АНАЛИЗ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЗАПАСА ВЫПРЯМЛЕННОЙ ЭДС ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА КЛЕТИ ШИРОКОПОЛОСНОГО СТАНА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

Надежная, безаварийная работа электропривода (ЭП) может быть обеспечена лишь в том случае, если будут обеспечены динамический запас системы регулирования и, в первую очередь, запас выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (ТП), определяемый как разность между выпрямленной ЭДС при нулевом угле управления и значением выпрямленной ЭДС в установившемся режиме работы при максимальной статической нагрузке.

Следствием ударного увеличения нагрузки электропривода, происходящем при захвате металла валками, является снижение его скорости Скорейшее восстановление скоростного режима имеет для непрерывных станов важное значение в связи с необходимостью поддержания постоян-ства секувдного объема металла, проходящего через каждую клеть. Время восстановления скорости зависит от темпа нарастания тока, так как он определяет динамический момент двигателя.

При настройке двухконтурной автоматической системы регулирования (АСР) скорости на модульный оптимум максимальная производная тока якоря при ударном приложении нагрузки определяется зависимостью [1]:

I

1,4ТТ  а

При настройке на симметричный оптимум (<И Л I

V <Т У тах 1,05ТТ • а ’

где I - ток статической нагрузки; ТТ - постоянная времени контура тока; а - отношение постоянных времени контуров скорости и тока.

Производная | | , наряду с максималь-

I ЛТ у тах

ным током статической нагрузки 1тах, определяет

величину максимальной выпрямленной ЭДС ТП в динамическом режиме, согласно уравнению равновесия якорной цепи:

Ed max = Е +Imax R3 + L3 ^ ^ ,

где Е - ЭДС электродвигателя; L3 - эквивалентная индуктивность цепи выпрямленного тока.

В подтверждение сказанному на рис. 1 представлены осциллограммы отработки ударного приложения нагрузки электроприводом клети

прокатного стана при ударном приложении нагрузки: АЕ, Ап, АЕа- приращения ЭДС, скорости двигателя и выпрямленной ЭДС ТП соответственно

аз 0.2

Рис. 2. Статические регулировочные характеристики ТП в замкнутой системе автоматического регулирования скорости

широкополосного стана горячей прокатки [2]. Система регулирования скорости ЭП настроена на модульный оптимум. Превышение выпрямленной ЭДС ТП своего установившегося значения составляет 16%.

Вторым условием, определяющим величину запаса, являются отклонения напряжения питающей сети. Для пояснения этого на рис. 2 представлены арккосинусоидальные статические регулировочные характеристики ТП при номинальном (кривая 1) и пониженном (кривая 2) подводимых напряжениях [3].

При снижении напряжения сети выпрям-ленная ЭДС ТП уменьшается на величину

Аи*с = ксх Аис/кТР

где Аи^ - отклонение напряжения сети, приведенное к выпрямленному напряжению ТП; ксх и ктр - коэффициенты схемы выпрямления ТП и трансформации преобразовательного трансформатора соответственно.

Рабочая точка преобразователя, занимавшая в режиме холостого хода положение А, переместится вместе со статической характеристикой и окажется в положе нии В. Однако при отработке задания на угловую скорость в замкнутой системе ЭП она переместится в точку С, соответствующую заданному значению ЭДС ТП. При появлении нагрузки на валу двигателя за счет действия АСР скорости она переместится в точку Д. Это соответствует изменению угла управления ТП от значения а1 до а2, а затем до а3. При не -достаточном запасе выпрямленной ЭДС ТП может возникнуть ситуация, при которой точка Д должна находиться левее точки Е, соответствующей минимальному углу регулирования ат;п. При этом происходит размыкание контура регулирования скорости, что в условиях непрерывной прокатки недопустимо.

На рис. 3 представлены осциллограммы токов нагрузки электроприводов 8-й и 10-й кле-тей чистовой группы широкополосного стана 2500 горячей прокатки и отклонений напряже -ния секции шин 10 кВ. В моменты времени і\, ?2 происходит захват металла валками клетей, сопровождающийся ударным увеличением тока нагрузки и практически ступенчатым снижением напряжения сети (соответственно на 2 и на 1,5%). В результате экспериментов установлено, что после захвата металла последней клетью при максимальной нагрузке ЭП уровень напряжения снижается на 5-7%.

На рис. 4 показаны отклонения напряжения сети, полученные при прокатке трех полос, не

Рис. 3. Отклонения напряжения сети, вызванные нагрузкой ЭП клетей чистовой группы

Рис. 4. Отклонения напряжения сети, не связанные с нагрузкой ЭП

стах - 4 %

ли„

Е = 71,4 %

!тх • Яэ = 5 %

= 11,4 % Ел0 • ео8 атп = 8,3 %

Рис. 5. Составляющие запаса выпрямленной ЭДС электропривода кпети стана 2000

связанные с нагрузкой электроприводов клетей Такие отклонения вызваны нагрузкой других потребителей, подключенных к той же секции шин 10 кВ, и для ЭП исследуемых клетей являются случайными. Видно, что их уровень достигает значительных величин (5-7,5% номинального значения).

Приведе нные осциллограммы под -тверждают известные из литературы сведения о том, что отклонения напряжения сети, питающей ЭП станов горячей про -катки, достигают 10-12% в сторону уменьшения и должны учитываться при расчете запаса ТП по напряжению.

На рис. 5 представлены диаграммы, характеризующие распределение запаса выпрямленной ЭДС, необходимого для безаварийной отработки ударного приложения нагруз-ки главным ЭП клети чистовой группы стана 2000 [4]. Выделены следующие составляющие:

1. Падение напряжения на активном сопротивлении Яэ цепи выпрямленного тока (/щахЯэ).

2. Запас ДийЩах на динамическое приращение выпрямленной ЭДС преобразователя при увеличе -нии нагрузки (падение напряжения на индуктивном сопротивленииЬэ цепи выпрямленного тока).

3. Составляющая Аи*с , связанная с отклонениями напряжения питающей сети.

4. Составляющая Еа0 (1 -ащт), определяемая ограничением минимального угла регулирования ащ\„.

Из диаграммы следует, что величина запаса составляет 23,6% максимальной выпрямленной ЭДС ТП или 27,1% номинального выпрямленного напряжения. Данный запас определяет уровень бесполезно циркулирующей в сети реактивной мощности, которая вызывает дополнигель-ные потери электрической энергии.

В таблице представлены результаты расчета потерь мощности для чистовых клетей стана 2000 при номинальных токах нагрузки. Реактивная

мощность Q по клетям посчитана по зависимости

О = - Е2 •

где Е^0- максимальная выпрямленная ЭДС при нулевом угле управления.

Потери мощности вычислялись по зависимо -сти [5]:

= К Ш О ,

где Кип - коэффициент изменения потерь (кВт/квар), задается предприятию энергосистемой или принимается по справочным данным.

Величина Кип изменяется от 0,02 до 0,25 кВт/квар и зависит от удаленности предпри-ятия от источника питания. Наименьшее значе-ние коэффициента приведено для трансформаторов, присоединенных непосредственно к шинам станции. В соответствии с рекомевдациями [5] величина Кип при расчетах принята равной

0,12 кВт/квар.

Годовые потери электрической энергии, связанные с потреблением реактивной мощности, рассчитаны по зависимости

ж = к т р

01 ВКЛ ГОД

Расчетные потери при номинальныхтокахнагрузки

Параметр Значения по клетям чистовой группы стана 2000 г/п

7 8 9 10 11 12 13

Тип двигателя 2МП14200 50У3 2МП14200 50У4 2МП14200 125У 4 2МП14200 125У 4 2МП14200 200У 3 2МП14200 200У 3 2МП11200 300У 3

Номинальная мощность, кВт 2x6300 2x6300 2x7100 2x7100 2x7100 2x7100 2x7100

I*. А 16200 16300 16050 15600 14950 13700 12100

Ои М вар 9,33 9,41 9,22 9,88 9,39 8,43 7,22

Ро„ кВт 1200 1130 1100 1186 1127 1012 866

Жо1, млнкВт-ч 7,56 7,12 6,93 7,47 7,1 6,38 5,46

Тц

где Квкл =--------- - коэффициент включения;

ТНАГР

Тц - время цикла прокатки; Тнагр - время работы под нагрузкой за цикл; ТГод- среднегодовое число часов работы под нагрузкой.

При Тгод=7000 часов в год суммарные потери электрической энергии составляют

13

Wqz = ^ WQi = 48 млн кВт-ч/год.

7

В подтверждение достоверности приведенных результатов выполнен расчет реактивной мощности, потребляемой электроприводом седьмой клети (первая клеть чистовой группы). Установленная мощность двигателя Ржя= 12,6 МВт. При средне -взвешенном значении cos^=0,82

$7КЛ = р7Е^ = 15,37 MBA; cos^

sin ф = 0,57;

Q7кл ~ S7кл ' sin Ф ~ 8,76 Мвар.

Расхождение значений, посчитанных двумя способами, составляет 6,1%.

Анализ известных способов улучшения энергетических показателей показал, что в большинстве случаев такое улучшение обеспечивается за

счет существенного снижения быстродействия, т.е. за счет ухудшения динамических свойств ЭП. Такой путь для электроприводов станов горячей прокатки не может быть приемлемым.

Тиристорные ЭП клетей прокатных станов выполняются, как правило, с двухзонным регулированием скорости (ДЗРС). В связи с этим возникла задача разработки новых систем ДЗРС, применение которых позволяет уменьшить запас выпрямленной ЭДС ТП, но сохранить при этом тре-буемые высокие динамические свойства и показатели надежности электропривода. Были разработаны зависимая система в функции выпрямленной ЭДС ТП [6], система с автоматическим изменением задания ЭДС [4], а также системы ДЗРС с переключением координаты, регулируемой по цепи возбуждения [7, 8]. В [9] дана оценка эффективности применения последней системы в электроприводах клетей стана 2000. Определено расчетное снижение потерь мощности и электроэнергии в электроприводах клетей чистовой группы, составляющее не менее 7% или 2,9 млн кВт ч/год.

Исследования разработанных систем методами математического моделирования, а также промышленные испытания системы с переключающейся структурой на действующем прокатном стане подтвердили работоспособность ивы -сокую эффективность их применения.

Библиографический список

1. Неймарк В.Е. Методика определения динамического запаса напряжения систем стабилизации скорости электроприводов постоянного тока // Электротехническая промышленность. Сер. Электропривод. 1971. № 7. - С. 15-16.

2. Карандаев А.С., Кузнецов И.Ю. Сравнительный анализ энергетических характеристик тиристорных электроприводов с двухзонным регулированием скорости // Энергосбережение на промышленных предприятиях: Межвуз. сб. науч. тр. Магнитогорск, 1997. С. 126-132.

3. Волков В.Т., Левинтов С.Д. Оценка динамических показателей вентильного электропривода со случайными параметрами // Исследование автоматизированных электроприводов, электрических машин и вентильных преобразователей. Челябинск: ЧПИ, 1976. С. 148-153.

4. Концепция построения электроприводов прокатных станов с двухзонным регулированием скорости и улучшенными энергетическими показателями / А.С. Карандаев, А.А. Радионов, В.В. Головин и др. // Труды IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: путиразвития» (АЭП-2004). Ч. 2. Магнитогорск, 2004. С. 260-264.

5. Федоров А.А., РистхейнЭ.М. Электроснабжениепромышленных предприятий. М.: Энергия, 1981. 360 с.

6. Карандаев А.С., Радионов А.А., Головин В.В. Система двухзонного зависимого регулирования скорости в функции вы -прямленной ЭДС тиристорного преобразователя // Изв. вузов. Электромеханика. 2004. № 2. С. 40-46.

7. Головин В.В. Система двухзонного регулирования скорости тиристорного электропривода с переключением регулируемой координаты по цепи возбуждения // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. трудов. Магнитогорск: МТУ, 2006. Вып. 13. С. 22-30.

8. Головин В.В. Разработка тиристорных электроприводов с двухзонным регулированием скорости с переключающейся структурой // Материалы 64-й НТК по итогам научно-исследовательских работ за 2004-2005 гг.: Сб. докл. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2006. Т. 2. С. 92-95.

9. Головин В.В. Анализ эффективности внедрения системы двухзонного регулирования скорости с переключающейся структурой в электроприводах стана 2000 ОАО «ММК» // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. трудов. Магнитогорск: МТУ, 2006. Вып. 12. С. 61-67.