Повышение надежности полупроводниковых преобразователей и электроприводов объектов кислородно-конверторного производства

Электромеханические системы

УДК 62-83:621.313.3 DOI: 10.14529/power160209

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ОБЪЕКТОВ КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Ю.С. Усынин1, А.М. Журавлев1, И.А. Белых1, Е.С. Чупин2

Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, 2 ООО НТЦ «Приводная техника», г. Челябинск

Рассмотрены пути повышения надежности полупроводниковых преобразователей и электроприводов объектов кислородно-конверторного производства. Получены зависимости надежностных показателей комплекса «Полупроводниковый преобразователь - двигатель» от запаса мощности. Показано, что в синхронном реактивном электроприводе с импульсно-векторным управлением при резервировании полупроводникового преобразователя удается значительно повысить надежностные показатели системы. Предложена математическая модель комплекса «Импульсно-векторная система управления синхронной реактивной машины независимого возбуждения». Рассмотрены результаты математического моделирования синхронного реактивного электропривода с импульсно-векторным управлением: установлена зависимость удельных показателей электропривода от количества фаз.

Ключевые слова: надежность, синхронная реактивная машина независимого возбуждения, эксгаустер, конверторное производство.

В современной металлургии существенно возросла за последние десятилетия значимость кислородно-конверторного производства. Так, по данным [1], количество выплавляемой стали в кислородных конверторах возросло с 431 до 811 млн т в год с 1996 по 2006 г., что составило 65,5 % от суммарного мирового объема металла [2]. В частности, на Южном Урале конверторное производство широко представлено на крупных промышленных предприятиях: Челябинском металлургическом комбинате, Магнитогорском металлургическом комбинате.

При конверторном способе производства стали происходит сильное пылеобразование, обусловленное обильным окислением и испарением железа. Это требует обязательного сооружения при конвертерах сложных и дорогих пылеочисти-тельных установок [3]. Таким образом, роль эксгаустеров и дымососов в конвертерном производстве крайне высока.

Основным требованием, предъявляемым к механизму промышленного дымососа, является надежность. Повышение надежности работы газоочистительной системы способствует увеличению количества годного металла, уменьшению брака и улучшению качества получаемой стали. Существуют технологические механизмы (эксгаустеры кислородных конверторов, печей и т. д.), в которых остановка работы промышленного дымососа приводит к тяжелым последствиям, вплоть до остановки плавки и слива металла из котла конвертора.

По данным опроса специалистов ОАО «ЧМК», отказы эксгаустера на кислородном конверторе случаются с частотой 2 раза в месяц. Причинами остановок в настроенной системе электропривода служат отключение преобразователя частоты по максимальнотоковой защите, а также отказы в системе возбуждения синхронного двигателя.

Анализ режимов работы электропривода эксгаустера показал, что установленная мощность силового электрооборудования превышает расчетную по условиям обеспечения технологического процесса не более чем на 10 %. В этом случае, как показано в [4], вероятность безотказной работы (W) составляет не более 90 %. Для сравнения: тот же показатель для объектов атомных станций составляет 99,9 %. В [4] авторы обращают внимание, что для снижения отказов в 3 раза вероятность № необходимо увечить до 98 %.

С учетом сказанного, повышение надежностных показателей системы электропривода эксгаустера является актуальной задачей.

Существует два основных способа повышения надежности любой системы: введение избыточности системы [4]; переход к принципиально новым техническим решениям, отличающимся повышенными надежностными показателями. Для системы электропривода в первом случае необходимо выбирать его элементы с наперед заданным запасом по мощности. Во втором случае можно, например, отказаться от традиционной конфигурации схем силовых цепей, использовать да-фаз-ные независимые источники питания на каждую

фазу, не увеличивать установленную мощность полупроводникового преобразователя выше номинальной, а надежность системы обеспечить за счет использования резервного преобразователя мощностью, равной P/m, где P - суммарная установленная мощность электропривода, m - количество фаз преобразователя.

Дадим анализ возможностей первого способа. С увеличением запаса мощности элементов электропривода (электрической машины и полупроводникового преобразователя) увеличивается и вероятность безотказной работы электропривода W [4]. На рис. 1 даны расчетные зависимости относительного значения затрат на электрическую машину от величины вероятности безотказной работы электродвигателя W. За базовое значение цены принималась стоимость электродвигателя номинальной мощности, рассчитанной по условию допустимого нагрева, при этом вероятность безотказной работы электрической машины по условиям проектирования равна 0,9 [5]. В электроприводах металлургических объектов необходимая надежность должна быть не ниже W = 0,98 [4], что требует завышения мощности электропривода на 80 % [4]. При этом в соответствии с кривой 2 (см. рис. 1) цена электродвигателя увеличивается примерно в 1,4 раза.

Кривая 1 проходит ниже зависимости 2 (см. рис. 1), и обусловлено это тем, что в крупных

электрических машинах закладывается больше активных материалов. Рассмотренные кривые (1, 2) построены для случая т = 3. При числе фаз т > 3 новые зависимости будут совпадать с соответствующими кривыми 1 и 2 (см. рис. 1).

Аналогичным образом были построены зависимости относительных затрат на полупроводниковый преобразователь от вероятности безотказной работы Ж (рис. 2), которые качественно совпадают с кривыми рис. 1, но при этом для обеспечения той же Ж = 0,98 требуется увеличить относительные затраты С. Наиболее выразительно это проявляется для электроприводов больших мощностей (см. рис. 2, кривая 2). Объясняется это тем, что в суммарной стоимости установленного электрооборудования доля затрат на полупроводниковый преобразователь является существенной [6].

Так как для обеспечения повышенной надежности работы электропривода, например, с Ж = 0,98, требуется неоправданное завышение затрат на полупроводниковую часть, то на этапе синтеза целесообразно рассмотреть специальные схемотехнические решения силовых цепей полупроводникового преобразователя [6] и электрической машины [7], при этом электромеханический преобразователь необходимо выбрать с заданным запасом по мощности (см. рис. 1, Ж = 0,98).

В наибольшей степени требованиям надежности отвечают электроприводы с новыми типами

Рис. 1. Зависимость относительных затрат С на электромеханический преобразователь от вероятности его безотказной работы № для диапазона мощностей: 1 - 0,18-1,1 кВт; 2 - 1000-2000 кВт

Рис. 2. Зависимость относительных затрат С на полупроводниковый преобразователь от вероятности его безотказной работы № для диапазона мощностей: 1 - 0,18-1,1 кВт; 2 - 1000-2000 кВт

Электромеханические системы

конструкции электрических машин, например, с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения (СРМНВ) [8], отличающейся простотой конструкции статора и высокой технологичностью изготовления ротора [9]. В исходном случае схема силовых цепей выполняется многофазной с индивидуальными источниками питания [10]. Отказ от индивидуальных источников в пользу более простой схемы приводит к структуре с импульсно-векторным управлением [11]. В этом случае фазные обмотки Lj, L2, L3 двигателя М подключаются к питающей сети, а обмотки L4, L5, L6 - непосредственно на неуправляемый выпрямитель (рис. 3). На схеме рис. 3 количество фаз равно трем m = 3. В общем случае используется m-фазный выпрямитель. При отказе одного из плеч диодного моста в работу вводится резерв, установленная мощность которого равна P/m, где P - номинальная мощность электропривода.

Рис. 3. Пример упрощенной схемы импульсно-векторного управления СРМНВ

Идея работы схемы с импульсно-векторным управлением заключается в формировании управ-

ляющих импульсов на транзисторный блок в функции положения ротора СРМНВ и обобщающего вектора напряжения ас так, чтобы он открывался и пропускал ток по обмоткам статора лишь в те отрезки времени, когда взаимное положение полюсов явнополюсного ротора и магнитного поля, создаваемого токами статора, соответствовало двигательному электромагнитному моменту электрической машины.

Математическая модель электропривода состояла из двух блоков. Первый блок, который был реализован в модуле Ansys Simplorer [9], представлен в форме дифференциальных уравнений в полных производных и учитывал уравнения баланса напряжений в статорных обмотках с активным сопротивлением r, а также уравнения Лагранжа для тел, совершающих вращательное движение вокруг оси c угловой скоростью œ. Передаточная функция полупроводникового преобразователя каждой из фаз аппроксимировалась апериодическим звеном первого порядка и звеном чистого запаздывания [10], учитывающим инерционные свойства микропроцессорного блока. Каждая из фаз статорных обмоток подключалась к питающей сети при условиях, что подан управляющий сигнал на транзистор и выпрямитель допускает протекание тока конкретных фаз электрической машины [11].

Второй блок «Модель магнитной системы» [9] включал в себя уравнения в частных производных, учитывающих распределение магнитных полей в электрической машине и для решения которых использовался метод конечных элементов в вариационной постановке. Расчет дифференциальных уравнений этого блока выполнялся в модуле Ansys Maxwell. Результирующий электромагнитный момент, создаваемый двигателем, использовался при расчетах в модуле Ansys Simplorer [9].

При моделировании электропривода варьировалось количество фаз m, на которое выполнялись двигатель и полупроводниковый преобразователь. При расчете момент сопротивления на валу двигателя принимался номинальным. Установлено, что действующее значение тока снижается с увеличением m, и обусловлено это уменьшением пульсаций электромагнитного момента, а также более полным использованием статорных обмоток по току [11]. Однако увеличение количества фаз m ведет к увеличению количества вентилей и стоимости полупроводникового преобразователя.

Выбор рациональной системы электропривода состоит в сопоставлении двух схем по критерию минимума стоимости силового электрооборудования [11]. В первом случае по кривым 1 и 2 (см. рис. 1) выполняется расчет стоимости электропривода (электродвигателя и преобразователя частоты) из условия обеспечения заданной вероятности безотказной работы.

Во втором случае для сопоставления может быть выбрана схема с импульсно-векторным уп-

Рис. 4. Зависимость полезной мощности Р многофазных машин в относительных единицах от количества работающих фаз т; 1 - т работающих фаз; 2 - т-1 работающих фаз; 3 - т- 2 работающих фаз; 4 - т - 3 работающих фаз; 5 - т - 4 работающих фаз

равлением. При расчете определяется не только стоимость оборудования, но и находится оптимальное количество фаз m электрического преобразователя и двигателя. Стоимость электрического преобразователя включает в себя затраты на основной преобразователь, который выбирается номинальной мощности, и резервный модуль мощности P/m, где P - номинальная мощность электропривода. При расчете стоимости электрической машины необходимо учитывать не только заданную вероятность безотказной работы W, но и учесть снижение полезной мощности двигателя в зависимости от выбранного количества фаз m (рис. 4).

Для электроприводов крупных мощностей (1000 кВт и выше) с непрерывным графиком нагрузки и повышенными требованиями по надежности при выборе рациональной системы ряд традиционных структур электроприводов должен быть дополнен новыми техническими решениями на базе многофазных схем силовых цепей.

Благодаря применению ИВСУ СРМНВ значительно с (W = 0,9 до W = 0,98) возрастает надежность электрического преобразователя. Происходит это по нескольким причинам. При применении СРМНВ нет необходимости в возбуждении обмоток ротора машины, и, следовательно, можно отказаться от возбудителя как элемента системы управления, от контактных колец и щеточно-коллекторного контакта. Повышенная механическая прочность ротора снижает вибрации, что положительно сказывается на работе подшипников двигателя. Наконец, наличие лишь одного IGBT-транзистора в схеме силовых цепей преобразователя повышает надежность электропривода.

Литература

1. Носов, А.Д. Производство анизотропной трансформаторной стали в кислородно-конвер-

терном цехе ММК /А.Д. Носов // Вестник МГТУ. -2005. - № 1 (5). - С. 9-12.

2. Лукьянов, С.И. Многодвигательный электропривод тянущих роликов машины непрерывного литья заготовок / С.И. Лукьянов, Н.В. Фомин, А.И. Хлыстов // Труды XV международной научно-технической конференции: Электроприводы переменного тока. - Екатеринбург, 2012. - С. 305-308.

3. Головин, В.В. Опыт внедрения современных электроприводов в ОАО «ММК» / В.В. Головин, А.В. Косенков, В.П. Разворотнев // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - Ч. 2. - С. 149-156.

4. Рипс, Я.А. Анализ и расчет надежности систем управления электроприводами / Я.А. Рипс, Б.А. Савельев. -М.: Энергия, 1974. - 248 с.

5. ГОСТ 19523-81 Машины электрические вращающиеся от 50 до 355 габарита. Двигатели асинхронные серии 4А трехфазные с коротко-замкнутым ротором. Технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 2007. - 10 с.

6. Grigoryev, M.A. Specifics of power circuit arrangements of semiconductor converters for power supply to synchronous reluctance machines / M.A. Grigoryev //Russian Electrical Engineering. -2014. - no. 85(10). - pp. 601-603. DOI: 10.3103/S10683 71214100071

7. Weh, H. On the Development of Inverter Fed Reluctance Machines for High Pover Densities and High Outp /H. Weh //ETZ Archiv. - 1984. - Bd. 6. -P. 135-144.

8. Grigoryev, M.A. Dynamic parameters of active rectifiers / M.A. Grigoryev, A.N. Gorozhankin, S.I. Kinas, E. V. Belousov // Russian Electrical Engineering. - 2014. - no. 85 (10). - P. 638-640. DOI: 10.3103/S1068371214100083

9. Grigoryev, M.A. A mathematical model of the synchronous reluctance machine with indepen-

Электромеханические системы

dent control along the excitation line / M.A. Grigo-ryev, S.I. Kinas // Russian Electrical Engineering. -2014. - no. 85 (10). - P. 645-648. DOI: 10.3103/S10683 71214100095

10. Usynin, Yu.S. Electric drive with a field-regulated reluctance machine / Yu.S. Usynin, M.A. Gri-gor'ev, A.N. Shishkov // Russian Electrical Engi-

neering. - 2013. - 84 (3). - P. 149-154. DOI: 10.3103/S1068371213030127

11. Grigoryev, M.A. A control system for an electric drive with a synchronous reluctance machine with separate excitation / M.A. Grigoryev // Russian Electrical Engineering. - 2013. - no. 84 (10). - P. 560565. DOI: 10.3103/S1068371213100052

Усынин Юрий Семенович, д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; 9191236713@mail.ru.

Журавлев Артем Михайлович, аспирант, кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; zhuravlevam@susu.ru.

Белых Игорь Анатольевич, аспирант, кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; 9191236713@mail.ru.

Чупин Евгений Сергеевич, инженер, отдел перспективного развития, ООО НТЦ «Приводная техника», г. Челябинск; chupin_evgeny13@rambler.ru.

Поступила в редакцию 8 апреля 2016 г.

DOI: 10.14529/power160209

IMPROVEMENT OF RELIABILITY OF SEMICONDUCTOR CONVERTERS AND ELECTRIC DRIVES OF OXYGEN-STEELMAKING FACILITIES

Yu.S. Usynin1, 9191236713@mail.ru, A.M. Zhuravlev1, zhuravlevam@susu.ru, I.A. Belykh1, 9191236713@mail.ru, E.S. Chupin2, chupin_evgeny13@rambler.ru

1 South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation,

2 STC "Drive technology", Chelyabinsk, Russian Federation

The paper deals with ways to improve reliability of semiconductor converters and electric drives of the oxygen-steelmaking facilities. It provides the dependences of reliability of the semiconductor converter -electric motor system on the power margin. It is proved that redundancy of the semiconductor converter in the synchronous reactive drive with the pulse-vector control significantly improves reliability of the system. The authors propose a mathematical model of pulse-vector control of field-regulated reluctance machine. The results of mathematical modeling the synchronous reactive drive with pulse-vector control are represented. They confirm the dependence of specific indicators of the electric drive electric on the number of phases. Keywords: reliability; field regulated reluctance machine; gas exhauster, oxygen-steelmaking.

References

1. Nosov A.D. [Production of Anisotropic Transformer Steel in the Oxygen-Converter]. Bulletin of the Magnitogorsk State Technical University. 2010, no. 1 (5), pp. 9-12. (in Russ).

2. Lukyanov S.I., Fomin N.V., Hlistov A.I. [Multi-Motor Electric Drive Continuous Casting Machine Pinch Rolls]. Proceedings of the XV International Scientific and Technical Conference: The AC drives, 2012, pp. 305308.

3. Golovin, V.V. [Experience of Introduction of Modern Electric Drives in OJSC "MMK"]. News TSU. Technical Science, 2010, iss. 3, no. 2, pp. 149-156.

4. Rips J.A., Savelev B.A. [Analysis and Calculation of the Reliability of Electrical Control Systems]. Moscow, Energy Publ., 1974, 248 p.

5. GOST 19523-81 [Rotating Electrical Machines from 50 to 355 Dimensions. Engines Three-Phase Asynchronous, Series 4A Squirrel Cage. Specifications]. Moscow, Standartinform Publ., 2007, 10 p.

6. Grigoryev M.A. [Specifics of Power Circuit Arrangements of Semiconductor Converters for Power Supply to Synchronous Reluctance Machines]. Russian Electrical Engineering, 2014, no. 85 (10), pp. 601-603. DOI: 10.3103/S1068371214100071

7. Weh, H. [On the Development of Inverter Fed Reluctance Machines for High Pover Densities and High Outp]. ETZ Archiv, 1984, pp. 135-144.

8. Grigoryev M.A., Gorozhankin A.N., Kinas S.I., Belousov E.V. [Dynamic Parameters of Active Rectifiers]. Russian Electrical Engineering, 2014, no. 85 (10), pp. 638-640. DOI: 10.3103/S1068371214100083

9. Grigoryev M.A., Kinas S.I. [A Mathematical Model of the Synchronous Reluctance Machine with Independent Control Along the Excitation Line]. Russian Electrical Engineering, 2014. no. 85 (10), pp. 645-648. DOI: 10.3103/S1068371214100095

10. Usynin Yu.S., Grigor'ev M.A., Shishkov A.N. [Electric Drive with a Field-Regulated Reluctance Machine]. Russian Electrical Engineering, 2013, no. 84 (3), pp. 149-154. DOI: 10.3103/S1068371213030127

11. Grigoryev M.A. [A Control System for an Electric Drive with a Synchronous Reluctance Machine with Separate Excitation].Russian Electrical Engineering, 2013, no. 84 (10), pp. 560-565. DOI: 10.3103/S1068371213100052

Received 8 April 2016

ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ

FOR CITATION

Повышение надежности полупроводниковых преобразователей и электроприводов объектов кислородно-конверторного производства / Ю.С. Усынин, А.М. Журавлев, И.А. Белых, Е.С. Чупин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2016. - Т. 16, № 2. -С. 66-71. DOI: 10.14529/power! 60209

Usynin Yu.S., Zhuravlev A.M., Belykh I.A., Chupin E.S. Improvement of Reliability of Semiconductor Converters and Electric Drives of Oxygen-Steelmaking Facilities. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering, 2016, vol. 16, no. 2, pp. 66-71. (in Russ.) DOI: 10.14529/power160209