Анализ показателей качества электроэнергии в системе промышленного электроснабжения с мощными тиристорными электроприводами

двигателя как при питании номинальным, так пониженным напряжением. По результатам проведенных исследований установлено также, что в режиме питания пониже иным напряжением от -мечается улучшение гармонического состава тока и напряжения. Это обусловлено в первую оче-редь тем, что при пониженном напряжении работа тиристорного устройства осуществляется в области малых углов управления. В частности, все расчетные осциллограммы (см. рис. 5) были получены при задании угла управления а=5°. Независимо от величины питающего напряже -ния, соответствующие значениям частоты 1/611; 1/9£і и 1/12^ 6-я, 9-я и 12-я гармоники являются преобладающими. Коэффициенты искажения синусовдальности тока во всех рассмотренных случаях находятся в пределах 0,56-0,68, а величины действующих значений токов не превышают номинального значения тока статора АД. Наилучшая нагрузочная способность по моменту достигается при частоте 1/1211, что позволяет использовать данный режим как основной для прокрутки механизмов в наладочных режимах. По результатам моделирования построены механические характеристики асинхронного электродвигателя (рис. 6). Там же для сопоставления построены и экспериментальные механические характеристики.

Рис. 6. Экспериментальные и расчетные механические характеристики АД

Приведенные характеристики получены при задании угла а=0°. Сопоставляя расчетные и экспериментальные данные, можно отметить, что они практически совпадают. Отклонения в основных точках сопоставления не превышают 10%. Все это позволяет сделать вывод о том, что предложенные алгоритмы реализуемы и могут быть использованы для создания специальных режимов асинхронного электропривода с тиристорным управлением при питании от однофазной сети

УДК [621.3.015.2 + 621.316.94 + 621.317.757]: 621.311.1

А. С. Каравдаев, Г. П. Корнилов, Т. Р. Храмшин, А. Н. Шеметов, А. А. Николаев

АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СИСТЕМЕ ПРОМЫШЛЕННОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С МОЩНЫМИ ТИРИСТОРНЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

Необходимым условием нормального электроснабжения промышленного предприятия является надежное обеспечение его электроприемников электрической энергией в необходимом количестве и определенного качества, которое регламентируется ГОСТ 13109-97 [1]. При этом основное влияние на качество электроэнергии оказывают эле ктро прием ники с нелинейными вольтамперными характеристиками - тиристорные преобразовательные агрегаты, применяемые для питания мощных электроприводов постоянного тока.

Характерным примером является система электроснабжения листопрокатных цехов (рис. 1), где от одного источника питания осуществляется электроснабжение «спокойных» (насосов гидро-

сбива, вентиляторов и т.п.), и резкопеременных нагрузок (клетей прокатного стана). Поэтому в распределительных сетях цеха наблюдаются колебания и отклонения напряжения, источниками которых являются тиристорные преобразователи главных приводов клетей. Кроме того, указанные агрегаты имеют невысокий коэффициент мощности, что вызывает дефицит реактивной мощности в системе.

Задачей данной работы является оценка качества электроэнергии в реальных условиях работы прокатного стана, а также обоснование применения и выбор оптимальных параметров фильтрокомпенсирующих устройств в распределительной сети напряжения 6-10 кВ на примере листопрокатного цеха № 10 (ЛПЦ-10) ОАО «ММК».

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. № 3. 2006.

Рис. 1. Однолинейная схема электроснабжения ЛПЦ-10 ОАО «ММК»

Анализ показателей качества электроэнергии в системе... Карандаев А.С., Корнилов ГЛ., Храмшин Т.Р. и др.

Для этого совместно со специалистами ЦЭТЛ производилась запись мгновенных значений тока и напряжения с использованием регистратора электрических сигналов «РЭС-3» (частота дискретизации 4,5 кГц) с последующей обработкой на ЭВМ. Схема подключения прибора и полу-

ченные с его помощью осциллограммы токов и напряжений показаны на рис. 2.

На рис. 2, б хорошо видно отклонение формы токов и напряжений на всех секциях РУ-10 кВ от синусовды в результате преобладания нелинейной нагрузки - тиристорных преобразователей.

РУ Ш>кВ

Рис. 2 Схема подключения прибора РЭС-3

ГЙ АЯВ СНтк УЛЪЬт №£ *

Рис. 3 Спектрограмма токов первой секции РУ-10 кВ

Искажения питающего напряжения неизбежно проявляются при работе вентильного преоб-разователя, поскольку в процессе коммутации вентилей соседних фаз происходит кратковременное короткое замыкание. В результате в кривой напряжения появляются коммутационные искажения, форма, величина и количество которых зависят от схемы выпрямления, мощности преобразователей и параметров питающей сети

Как ввдно на графиках, эти искажения имеют периодический характер, что позволяет проводить их гармонический анализ. При этом любая периодическая функция времени f(a>t) может быть представлена тригонометрическим рядом Фурье:

ад

f ipt) = A0 + ^[avcos{vcot)+bv sin

V=1

sec3.mat

. U U

nurn

den

911

— signel rms

RMS

num(s) den(s) signal rms

RMS1

num(s) den(s) signal rms

gi3 RMS3

num

den(s) signal

gi RMS5

1/100,

Gain

I

CEb

Clock

To Workspace

в среде Matlab Simulink

6

Рис. 5. Выделение высших гармонических составляющих несинусоидального периодического сигнала: а - исходный сигнал с частотой 50 Гц; б - выделенная синусоида 11-й гармоники

где А0 - постоянная составляющая; V - номер гармоники; а\, Ъ - коэффициенты ряда Фурье.

При V=1 из выражения (1) определяется первая (основная) гармоника. Остальные члены ряда с V >2 называют высшими гармониками. На основании этих данных строится диаграмма спектра гармоник, по которой выделяются наиболее значимые частоты. Токи этих гармоник должны быть скомпенсированы за счет резонансных фильтров, настроенных на выделенные частоты. Подобные расчеты выполнялись в среде МаНаЪ [2] по специально разработанным программам.

Так, с помощью спектроанализатора были установлены наиболее значимые гармоники, присутствующие в кривой тока, - это 5-я, 11-я и 13-я (рис. 3).

Принцип работы спектроанализатора основан на быстром преобразовании Фурье искомого сигнала на заданном интервале, длительность которого составляет 10-15 периодов основной частоты. Использование наложения на исходный сигнал так называемого «окна Хана» позволяет ослабить краевой эффект, возникающий при неравенстве периода основной частоты периоду выборки. Таким образом, спектроанализатор позволяет лишь выделить наиболее значимые гармоники, но не дает возможность проследить их изменение с течением времени.

Для решения этой задачи можно использовать резонансный фильтр, настроенный на частоту выделяемой гармоники. Структурная схема выделения действующих значений токов 5-й, 11-й и 13-й гармоник представлена на рис. 4.

Передаточные функции фильтра у-й гармоники в общем виде:

p) = p2 + !юу^1 p +{rnv)2

rrvW) 2 / \2

p + 2шу%2 p + yav j

где В)1 и £2 — коэффициенты демпфирования; £=314 рад/с - круговая частота питающей сети.

Работу фильтра по выделению 11-й гармоники иллюстрирует рис. 5.

На рис. 6 приведены осциллограммы действующих значений тока (а) и его гармонических составляющих (б) на интервале времени, равном 5 мин, для одной из секций РУ-10 кВ ЛПЦ-10 ОАО «ММК». Их анализ позволил сделать следующие выводы:

1. В кривой тока основной гармоники наблю-даются циклические изменения с периодом 50100 с, определяемым технологическим циклом прокатки. Причем на первой секции РУ-10 кВ четко прослеживается работа синхронного двигателя привода черновой клети с характерным затуханием тока во времени.

I / Icp> %

11-ая гармоника

і . 13-ая гармоника

0 50 100 150 200 250 300

б

Рис. 6. Осциллограмма действующих значений тока

2. Характер изменения уровня высших гармонических в целом соответствует изменению тока основной гармоники. По всем секциям уровень 5-й гармоники не превышает 1%, 13-й - не более 2% и 11-й - не более 5%. Уровень 7-й гармоники - менее 1%, поэтому в процессе анализа она не исследовалась.

3. Наблюдается явная зависимость между токами 5-й и основной гармоник, однако на некоторых участках диаграммы при сбросе нагрузки возникают выбросы токов 5-й гармоники. При этом на 11-ю и 13-ю гармоники эти набросы на -грузки не оказывают никакого влияния. Поведе-

ние 13-й гармоники отличается большей стабильностью по отношению к 11-й, и соответственно выбор и настройка фильтров могут быть произведены по среднему току.

Таким образом, предложенный метод осцил-лографирования и обработки параметров узла нагрузки позволяет с помощью простейших программно-технических средств оценить не только общий уровень их несинусоидальности, но также отслеживать динамику процесса искажения тока и напряжения и использовать эти данные при управлении фильтро-компенсирующими устрой -ствами в режиме реального времени

Библиографический список

1. ГОСТ 13109-97. Нормы качестваэлектрическойэнергиив системах электроснабжения общего назначения.

2. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий. Промышленные электрические сети / Под общ. ред.

А.А. Федорова. М.: Энергия, 1980.

3. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде М ДТЬДБ: учебный курс. СПб.: Питер, 2001.

УДК 662.942.2:621.783.245

В. В. Копцев, А. П. Морозов

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ КОЛПАКОВЫХ ПЕЧЕЙ

Технологические процессы, реализуемые на основе нагрева, занимают одно из ведущих мест в промышленном производстве. Развитие производства сопровождается высокими темпами потребления топлива и других ввдов энергии. В связи с этим проблема повышения эффективности использования топливно-энер-гетических ресурсов приобретает важное зна-чение. Сбережение теплоты энергии выступает как мощный рычаг совершенствования топлив -но-энергетического комплекса страны и как один из важнейших факторов, стимулирующих дальнейший общий прогресс промышленного производства.

Следовательно, стремясь обеспечить прогрессирующее энергосбережение, следует непрерывно оптимизировать процесс теплоотдачи к нагреваемому материалу, непрерывно совершенствовать тепловую работу и конструкции нагревательных устройств, используемых в металлургии и машиностроении [1].

На предприятиях черной металлургии РФ одним из крупнейших потребителей газообразного топлива (природного газа) являются колпаковые печи, в которых проходит термообработку зна -чигельная часть стали Большое количество кол-паковых печей делает невозможным их быструю

замену на новые агрегаты, реализующие более прогрессивную водородную технологию. Поэтому необходимо совершенствовать существующие технологии и агрегаты на основе их модернизации и реконструкции, разработки и внедрении методов и средств, обеспечивающих повышение эффективности их работы, и, прежде всего, снижение энергетических затрат.

Тепловой процесс, осуществляемый в колпаков ых печах, формирует требования к рациональной конфигурации зоны теплообмена в районе горелочного пояса, которая в конечном счете определяет основные параметры горелочных устройств. Таким образом, при предлагаемом подходе технология закладывает необходимые требования к горелочным устройствам, в частности определяет их необходимые параметры.

Перспективы разработки конструкции и улучшения эксплуатации колпаковых печей для отжига рулонов сводятся к сокращению дли -тельности нагрева и охлаждения садки рулонов. Это сокращение можно получить, улучшив теплофизические характеристики рулонов, а также совершенствуя конструкцию печей.

С теплотехнической точки зрения одним из возможных мероприятий экономии топлива яв-ляются мероприятия по интенсификации теп-