автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Энергосберегающий автоматизированный электропривод широкополосного стана горячей прокатки

ЛУКИН АЛЕКСАНДР АНДРЕЕВИЧ

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ШИРОКОПОЛОСНОГО СТАНА ГОРЯЧЕЙ

ПРОКАТКИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005012283

Магнитогорск — 2012

005012283

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

ХРАМШИН Вадим Рифхатович

Официальные оппоненты: КОРНИЛОВ Геннадий Петрович,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий»

БЛАГО ДАРОВ Дмитрий Анатольевич, кандидат технических наук, НИУ «Московский энергетический институт», г. Москва, доцент кафедры «Автоматизированный электропривод»

Ведущая организация: ОАО «Магнитогорский металлургический

комбинат», г. Магнитогорск

Защита состоится 22 марта 2012 г. в 15 — на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан 21 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент ,

К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На современном этапе развития экономики важнейшей среди межотраслевых проблем является энергосбережение. Практически неограниченные резервы энергосбережения имеются в черной металлургии, предприятия которой потребляют около 18% вырабатываемой в стране электроэнергии. В связи с ростом цен на энергоносители составляющая энергозатрат в себестоимости товарной продукции металлургических предприятий достигает 40-45%.

Значительный процент экономии может быть получен за счет улучшения энергетических показателей тиристорных электроприводов (ЭП) прокатных станов, как наиболее энергоемких потребителей металлургического производства. Такие электроприводы выполняются, как правило, с двухзонным регулированием скорости (ДЗРС). Основная причина ухудшения энергетических показателей тиристорных ЭП вызвана потреблением реактивной мощности, связанным с фазовым регулированием выпрямленного напряжения. Уровень потребляемой реактивной мощности находится в прямой зависимости от величины запаса тиристорного преобразователя (ТП) по ЭДС, т.е. от разности между максимальной выпрямленной ЭДС при нулевом угле управления и фактической ЭДС в установившемся режиме работы под нагрузкой.

Актуальность задачи снижения электрических потерь без применения компенсирующих устройств и повышения устойчивости прокатки обостряется в связи с переходом широкополосных станов на производство толстых полос из труднодеформируемых марок стали, прокатка которых ведется на низких скоростях, с высокими обжатиями и, соответственно, при значительных отклонениях напряжения сети.

В последние десятилетия работы в этом направлении проводились рядом отечественных организаций и зарубежных фирм. Так, в диссертационной ра-боте[1] разработана концепция тиристорных ЭП, обеспечивающих улучшение энергетических показателей за счет перераспределения запаса выпрямленной ЭДС в установившемся и динамических режимах. Разработаны системы ДЗРС, обеспечивающие реализацию данной концепции. Однако, известные разработки не могут обеспечить максимально возможного снижения запаса выпрямленной ЭДС без ухудшения динамических показателей электропривода.

Официальным подтверждением обоснованности принятого направления исследований является следующее:

1. Исследования выполнялись в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по контракту на 2010-2012 годы.

[11 Головин В.В. Разработка автоматизированных электроприводов прокатных станов с улучшенными энергетическими показателями // Дис.... канд. техн. наук. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2006,- 177 с.

2. В 2009 г. получен грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых ученых (руководитель доц. В.Р. Храмшин).

Целью диссертационной работы являются разработка и промышленное внедрение энергосберегающих автоматизированных электроприводов прокатных станов, обеспечивающих снижение потерь электрической энергии за счет уменьшения потребления реактивной мощности.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Анализ причин ухудшения энергетических показателей тиристорных электроприводов широкополосного стана горячей прокатки.

2. Экспериментальные исследования напряжения секций 10 кВ стана 2000 ОАО «ММК» и динамических режимов электроприводов за цикл прокатки.

3. Разработка системы управления возбуждением двигателя, обеспечивающей запас выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, необходимый для безопасного инвертирования при отклонениях напряжения сети.

4. Разработка электроприводов с двухзонным регулированием скорости с переключающимися структурами, обеспечивающих снижение потребления реактивной мощности.

5. Разработка математических моделей. Исследование методами математического моделирования.

6. Разработка экспериментальной установки. Исследования в лабораторных условиях.

7. Промышленное внедрение предложенной комбинированной системы двухзонного регулирования с переключающейся структурой на стане 2000 ОАО «ММК». Опытно-промышленные испытания. Оценка технико-экономической эффективности.

Методика проведения исследований. В работе использованы базовые положения теории электропривода, теории автоматического управления, методы операционного исчисления и математической статистики. Теоретические исследования проводились с использованием аппарата передаточных функций, методов структурного моделирования. При моделировании использовался программный пакет МАТЪАВ, а также входящий в его состав пакет визуального программирования Б1МиЬШК. Экспериментальные исследования проводились на созданной экспериментальной установке, а также на действующем прокатном стане путем прямого осциллографирования параметров электроприводов с последующей обработкой результатов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтвердившие, что ухудшение энергетических показателей тиристорных электроприводов клетей широкополосного стана 2000 горячей прокатки вызвано динамическим запасом выпрямленной ЭДС, составляющим 23,6% максимальной выпрямленной ЭДС или 27,1% номинального выпрямленного напряжения.

2. Способ и система двухзонного регулирования скорости с автоматическим регулированием уставки ЭДС в функции напряжения сети, обеспечивающие запас выпрямленной ЭДС ТП, необходимый для безопасного инвер-

тирования, за счет автоматического пропорционального снижения ЭДС двигателя при отклонениях напряжения сети.

3. Способы и системы ДЗРС с переключением координаты, регулируемой по цепи возбуждения, и автоматическим изменением задания ЭДС, обеспечивающие уменьшение запаса выпрямленной ЭДС путем ее ограничения на номинальном уровне в течение всего цикла работы под нагрузкой.

4. Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований, выполненных на созданной лабораторной установке, подтвердившие улучшение энергетических показателей электроприводов за счет снижения максимального выпрямленного напряжения тиристорного преобразователя на 12-15% при сохранении высоких динамических характеристик.

5. Результаты внедрения и опытно-промышленных испытаний разработанной системы ДЗРС с переключающейся структурой в электроприводах стана 2000 ОАО «ММК», подтвердившие экономию электрической энергии в объеме 1,87 млн. кВт-ч/год за счет снижения потребления реактивной энергии без применения компенсирующих устройств.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением методов математического моделирования, использованием реальных характеристик действующего оборудования, адекватностью расчетных и экспериментальных данных, результатами экспериментальных исследований разработанных систем на лабораторной установке и на действующем стане 2000 горячей прокатки ОАО «ММК».

Научная новизна.

В работе получены следующие новые научные результаты:

1. В системе двухзонного регулирования скорости с автоматическим регулированием уставки ЭДС в функции напряжения сети реализован принципиально новый способ автоматического регулирования ЭДС двигателя пропорционально отклонению напряжения сети, обеспечивающий запас выпрямленной ЭДС ТП, необходимый для безопасного инвертирования.

2. Разработан и технически реализован способ двухзонного регулирования скорости с автоматическим регулированием задания выпрямленной ЭДС ТП в функции тока нагрузки, обеспечивающий отработку ударного приложения нагрузки и режима ускорения электропривода под нагрузкой без превышения выпрямленной ЭДС ТП установившегося значения.

3. Разработаны способ управления возбуждением и электропривод с переключающейся структурой, обеспечивающие ограничение перерегулирования выпрямленной ЭДС ТП в начальный момент ускорения электродвигателя под нагрузкой.

4. Разработана комбинированная система двухзонного регулирования скорости с переключением координаты, регулируемой по цепи возбуждения, и автоматическим изменением задания ЭДС, обеспечивающая уменьшение запаса выпрямленной ЭДС путем ее ограничения на номинальном уровне в течение всего цикла работы под нагрузкой.

5. В результате моделирования и экспериментальных исследований установлено, что координаты электропривода в динамических режимах за цикл прокатки в существующей и разработанных системах отличаются не более чем на 2,5-5%. Следовательно, применение разработанных систем не приведет к отклонению параметров прокатки и нарушению технологического процесса.

Практическая ценность и реализация работы.

1. Разработанные системы двухзонного регулирования позволяют практически реализовать принципиально новые способы автоматического управления возбуждением тиристорных электроприводов, обеспечивающие улучшение энергетических показателей за счет снижения потребления реактивной мощности.

2. Разработанная комбинированная система двухзонного регулирования скорости внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию в чистовой группе стана 2000 ЛПЦ-10 ОАО «ММК». В ходе экспериментов, проведенных на стане, подтверждены работоспособность и высокая техническая эффективность ее применения.

3. Показано, что за счет внедрения разработанной системы и проведения мероприятий по снижению запаса выпрямленной ЭДС тиристорных преобразователей экономия электрической энергии составляет 1,87 млн. кВт ч/год. Расчетный экономический эффект в денежном выражении превышает 2,7 млн. руб./год.

4. Разработанные системы ДЗРС рекомендуются для внедрения на других широкополосных станах горячей прокатки. Преимуществом систем является высокая эффективность при практическом отсутствии капитальных затрат. Рекомендуется использование результатов исследований в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на VI Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2010 (Тула, 2010 г.); международной научно-практической конференции «Интех-мет-2008» (Санкт-Петербург, 2008 г.); международной научно-технической конференции специалистов ОАО «ММК» (г. Магнитогорск, 2009 г.), международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2009 г.); I международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Челябинск, 2009 г.); V международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2010 г.); Всероссийской конференции «Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения» (Уфа: УГАТУ, 2010 г.); УП-ой Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Красноярск, 2011 г.); на ежегодных научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ (Магнитогорск, ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2008-2011 гг.); на расширенном заседании

кафедры электротехники и электротехнических систем ФГБОУ ВПО «МГТУ» (февраль 2012 г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 14 печатных трудах, в том числе 4 в рецензируемых изданиях. Получено решение о выдаче патента РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 105 наименований. Работа изложена на 162 страницах основного текста, содержит 48 рисунков, 12 таблиц и приложение объемом 12 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрено состояние проблемы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследования, кратко изложено содержание диссертационной работы.

Первая глава посвящена анализу причин ухудшения энергетических показателей тиристорных электроприводов прокатных станов. Рассмотрены известные системы ДЗРС, реализующие концепцию систем с перераспределением запаса выпрямленной ЭДС в установившихся и динамических режимах.

На основании анализа функциональной схемы и принципа действия показано, что зависимая система в функции ЭДС обеспечивает более высокие энергетические показатели электропривода, которые, вместе с тем, не могут быть признаны удовлетворительными. Повышенное потребление реактивной мощности вызвано глубоким регулированием выпрямленного напряжения преобразователя, что обусловлено необходимостью обеспечения надежной работы электропривода в динамических режимах.

Сформулированы требования к тиристорному преобразователю как элементу электропривода, основными из которых являются:

- поддержание номинальной скорости двигателя при максимально допустимой перегрузке его по току и снижении напряжения сети на 10%;

- восстановление скорости с требуемым быстродействием до первоначальной при набросе нагрузки, соответствующей изменению тока двигателя от нуля до номинального;

- безопасное инвертирование в случае снижения напряжения сети на 10% и максимально-допустимой перегрузке двигателя по току.

Показано, что основной причиной ухудшения энергетических показателей тиристорных электроприводов прокатного стана является поддержание запаса выпрямленной ЭДС ТП на уровне 22-25 % ее максимального значения. Определяющим с точки зрения запаса является режим отработки ударного приложения нагрузки, происходящий при захвате металла валками и сопровождающийся перерегулированием выпрямленной ЭДС в пределах 16-22%.

В соответствии с уравнением равновесия якорной цепи (1), записанным для максимального выпрямленного тока, максимального отклонения напряжения сети и максимального темпа нарастания тока в динамическом режиме выделены четыре составляющие запаса выпрямленной ЭДС ТП. Их процентные

соотношения для главного ЭП клети чистовой группы стана 2000 показаны на рис. 1. Величина запаса составляет 23,6% номинальной выпрямленной ЭДС.

Е.

■ао

со* атЫ - ЛиСтах =Е + 1тах

■ Я-ц + — (тах) • ат

(О

Е = 71,4%

Рис. 1. Составляющие запаса выпрямленной ЭДС

В упомянутой выше диссертационной работе В.В. Головина разработана концепция построения систем двухзонного регулирования скорости с улучшенными энергетическими показателями, основанная на перераспределении запаса выпрямленной ЭДС в установившихся и дина-

мических режимах, связанных с изменением нагрузки электропривода. Это позволяет уменьшить величину запаса за счет более рационального его использования.

В результате анализа известных систем ДЗРС, реализующих предложенную концепцию, показано, что они не могут обеспечить постоянство выпрямленной ЭДС ТП в течение всего цикла прокатки. Это не позволяет установить минимальный запас и за счет этого обеспечить максимально возможное снижение потребления реактивной мощности без ухудшения динамических показателей электропривода.

В качестве основного направления совершенствования автоматизированных электроприводов прокатных станов обоснована разработка способов и систем ДЗРС, обеспечивающих ограничение выпрямленной ЭДС ТП на номинальном уровне независимо от режима нагрузки электропривода. Разрабатываемые системы наряду с улучшением энергетических показателей должны обеспечить жесткие требования, предъявляемые к динамическим характеристикам и устойчивости электроприводов в динамических режимах.

Во второй главе выполнено осциллографирование токов двигателей и отклонений напряжения сети 10 кВ, вызванных изменением нагрузки электроприводов клетей чистовой группы стана 2000 за цикл прокатки, а также случайных отклонений, вызванных нагрузкой других потребителей.

На рис. 2, а представлены осциллограммы токов нагрузки, скоростей электроприводов 8-й и 10-й клетей и отклонений напряжения на шинах 10 кВ. В моменты времени , происходит захват металла валками. Он сопровождается ударным увеличением тока нагрузки и снижением напряжения сети. После захвата металла последней клетью напряжение снижается на 5-7%.

а)

б)

Рис. 2. Отклонения напряжения сети: а — вызванные нагрузкой ЭП; б - случайные

На рис. 2, б показаны отклонения напряжения сети, не связанные с нагрузкой электроприводов. Они вызваны нагрузкой других потребителей и для электроприводов клетей являются случайными. Их уровень достигает 5+8% номинального напряжения. Время, по истечении которого восстанавливается прежний уровень напряжения, колеблется от нескольких секунд до нескольких десятков минут.

В целом, результаты экспериментов подтвердили известное из литературы утверждение, что отклонения напряжения сети, питающей электроприводы станов горячей прокатки, достигают 10-15% в сторону уменьшения.

С целью обеспечения запаса выпрямленной ЭДС, необходимого для безопасного инвертирования, разработана система двухзонного регулирования скорости с автоматическим регулированием уставки ЭДС в функции напряжения сети, схема которой представлена на рис. 3.

регулирования задания ЭДС в функции напряжения сети

Сигнал, пропорциональный отклонению напряжения А ¡Ус, поступает на вход нелинейного элемента НЭ1. Если это отклонение меньше заданного минимального значения, например, 5%, сигнал на выходе нелинейного элемента НЭ1 равен нулю. При снижениях напряжения в диапазоне от 5% до 20% происходит пропорциональное снижение ЭДС двигателя. За счет этого обеспечивается запас, необходимый для инвертирования. В случае превышения максимально допустимого отклонения напряжения более 20% дальнейшее снижение уставки ЭДС прекращается. Одновременно с этим, на выходе релейного элемента НЭ2 появляется сигнал на запрет реверса, который подается в СИФУ (задержка, либо срыв импульсов группы «назад»).

Преимуществом предложенной системы является то, что ее действие эффективно при работе как в первой, так и во второй зонах регулирования. Это наиболее ценно при прокатке полос «тяжелого» сортамента на низких скоростях.

Обозначенный выше запас выпрямленной ЭДС необходим для отработки динамических режимов за цикл прокатки без потери управляемости двигателя, вследствие насыщения тиристорного преобразователя. Характерные осциллограммы координат ЭП в течение цикла представлены на рис. 4. Перерегулирование выпрямленной ЭДС при отработке ударного приложения нагрузки (момент времени ¿|) превышает установившееся значение на 10%. В ходе осцил-лографирования были зафиксированы перерегулирования, достигающие 2022% номинального значения. При прокатке с ускорением перерегулирование

выпрямленной ЭДС возникает в начальный момент разгона /2 и составляет 6-12%. Также превышение выпрямленной ЭДС над установившейся возникает в течение всего периода разгона (интервал ^'з)- В конце ускорения (момент времени ?3) оно составляет 1215%. В результате экспериментально подтверждено, что для электроприводов стана 2000 величина запаса выпрямленной ЭДС ТП, необходимого для отработки ударного приложения нагрузки, составляет 23,6% максимальной выпрямленной ЭДС или 27,1% номинального выпрямленного напряжения, что приводит к ухудшению энергетических показателей.

Увеличение запаса выпрямленной ЭДС приводит к увеличению потребления реактивной мощности <2 . При существующем запасе, составляющем 270-300 В, и номинальном токе нагрузки величина реактивной мощности превышает 5 МВАр (на клеть). Это приводит к потерям электрической энергии в пределах 5-7 млн. кВт ч/год. С такими потерями приходится мириться для обеспечения устойчивой работы электропривода.

Третья глава посвящена разработке способов автоматического регулирования возбуждения и систем двухзонного регулирования скорости, исклю-

Рис. 4. Осциллограммы координат электропривода клети стана 2000 за цикл прокатки

чающих перерегулирование выпрямленной ЭДС ТП в течение цикла прокатки. За счет этого обеспечивается потенциальная возможность снижения запаса без потери управляемости электропривода.

Разработаны способ и система зависимого управления потоком возбуждения в функции ЭДС ТП с автоматическим регулированием задания выпрямленной ЭДС (рис. 5).

Задание выпрямленной ЭДС устанавливается ниже номинального значения Еф, на величину АЕц тах, определяемую по зависимости

^с! тах ~ 1*3 ^Ст '

к.{Тта

где Тт - постоянная времени

контура тока; а - отношение постоянных времени контуров скорости и тока; 1Ст~ установившийся ток.

В момент ударного приложения нагрузки выпрямленная ЭДС (кривая Еа) получает приращение АЕЛ которое предлагается осуществлять по апериодическому закону. В результате она повышается до номинального уровня Еф, без перерегулирования.

При росте тока выше номинального при ускорении в промежуток времени ¡2Н3 выпрямленная ЭДС также поддерживается на номинальном уровне. Это обеспечивается за счет снижения ЭДС электродвигателя Е на величину падения напряжения Д/„„Л3 на эквивалентном сопротивлении Яэ цепи выпрямленного тока.

В разработанной системе выпрямленная ЭДС при нулевом угле управления Ем может быть снижена на величину максимального перерегулирования, т.е. на 16-22%. Запас, необхо-

Рис. 5. Функциональная схема системы с автоматическим изменением уставки выпрямленной ЭДС ТП (а) и временные диаграммы координат ЭП (б)

Источник ¿с1и

напряжения 1

Источник Е« |

напряжения

димый для безаварийной отработки ударного приложения нагрузки и ускорения при прокатке, будет обеспечен.

Далее разработаны способ ДЗРС и электропривод с переключающейся структурой, обеспечивающий снижение запаса выпрямленной ЭДС за счет

ограничения ее перерегулирования в начальный момент ускорения под нагрузкой (рис. 6, а). Перерегулирование возникает вследствие динамического падения напряжения на индуктивном сопротивлении якорной цепи. На рис. 6, б представлены временные диаграммы, поясняющие предложенный способ. В момент /о подачи сигнала на ускорение заданное значение выпрямленной ЭДС снижается на величину максимального динамического перерегулирования. После окончания переходного процесса тока ЭДС автоматически повышается до номинального уровня. Время задержки определяется программно.

На разработанный способ получено решение о выдаче патента РФ на изобретение.

Кроме того, разработана комбинированная система двухзонного регулирования с переключающейся структурой, с автоматическим регулированием задания ЭДС. Она объединяет преимущества всех рассмотрен-

Рис. 6. Включение блоков в системе ДЗРС с

ограничением перерегулирования выпрямленной ЭДС в момент ускорения (а) и временные диаграммы координат ЭП (б)

ных выше систем и рекомендована для внедрения в электроприводах чистовой группы стана 2000 ОАО «ММК».

Четвертая глава посвящена исследованию разработанных электроприводов методами математического моделирования и экспериментальным исследованиям на лабораторной установке.

При разработке математической модели энергосберегающего электропривода за основу принята модель существующего электропривода клети стана 2000. Регулятор выпрямленной ЭДС принят интегральным. Его передаточная функция рассчитана аналогично регулятору ЭДС двигателя в обычной системе. Отличительной особенностью модели является подключение дополнительных звеньев, обеспечивающих переключение регулируемой координаты и автоматическое изменение ЭДС. Путем сравнения переходных процессов за цикл прокатки, полученных на модели, и реальных осциллограмм, полученных на стане, подтверждена адекватность модели исследуемому объекту.

Переходные процессы за цикл прокатки представлены на рис. 7.

Л/1 ' ' . . . .

Цифрами обозначена существующая, а также разработанная комбинированная система двухзонного регулирования с переключающейся структурой. Основные выводы, сделанные по результатам моделирования:

1. Максимальные отклонения координат тока и скорости во всех динамических режимах в разработанной системе не превышают 2-^-2,5%.

2. Ударное приложение нагрузки в известной системе сопровождается перерегулированием выпрямленной ЭДС в пределах 150 В, или 16% установившегося значения. Соответственно, начальное значение ЭДС двигателя в разработанной системе снижено на 150 В, т.е. до 750 В.

3. При ударном приложении нагрузки в разработанной системе выпрямленная ЭДС не превышает установившегося значения, что соответствует принципу работы этой системы.

4. Динамические отклонения выпрямленной ЭДС во всех последующих переходных процессах не превышают 5% установившегося значения, поэтому не являются определяющими с точки зрения выбора запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя.

Общим выводом является подтверждение принципиальной возможности снижения запаса выпрямленной ЭДС ТП практически без ухудшения динамических показателей и надежности работы электропривода.

Для проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях создана лабораторная установка, снабженная системой двухзонного регулирования скорости, функциональная схема которой представлена на рис. 8.

Она выполнена на базе реверсивного тиристорного преобразователя типа КТЭ-100-220.

Были выполнены экспериментальные исследования отдельных динамических режимов, это: ударное приложение нагрузки, ускорение электропривода, сброс нагрузки. Также исследовались процессы за цикл прокатки. В результате экспериментов подтверждены достоверность основных теоретических предположений, работоспособность и эффективность разработанных систем двухзонного регулирования скорости.

Кроме того, на лабораторной установке выполнены экспериментальные исследования системы с автоматическим регулированием ЭДС в функции напряжения сети, представленной на рис. 3. В результате экспериментально доказано, что предложенная автоматическая коррекция ЭДС двигателя позволяет исключить составляющую запаса выпрямленной ЭДС, необходимую для компенсации максимальных отклонений напряжения сети, достигающих 10-15%.

Пятая глава посвящена промышленному внедрению разработанной комбинированной системы двухзонного регулирования с переключающейся структурой и автоматическим изменением задания выпрямленной ЭДС на

стане 2000 ОАО «ММК». Система выполнена на базе ячеек, входящих в комплект тиристор-ных преобразователей электроприводов чистовой группы.

На рис. 9 представлены осциллограммы координат за цикл прокатки во внедренной системе. Сравнение осциллограмм с аналогичными, представленными на рис. 4, подтверждает, что выпрямленная ЭДС ТП в течение всего цикла прокатки не превышает установившегося значения 900 В. Это позволяет снизить запас выпрямленной ЭДС и за счет этого увеличить степень регулирования на 11%. Расчетное снижение потерь мощности электропривода 10-й клети составляет около 330 тыс. кВт-ч.

На завершаю-

ж в ■■

; \<1

Рис. 9. Осциллограммы за цикл прокатки во внедренной системе

щем этапе выполнена статистическая оценка результатов, полученных в ходе осциллографирования. Были получены расчетные кривые потребления реактивной мощности в зависимости от тока нагрузки, при прокатке полос более 90 профилей различного сортамента. Прокатка 40 полос проведена при работе обычной системы, прокатка остальных полос - после внедрения мероприятий по снижению потребления реактивной мощности. Для оценки соответствия результатов эксперимента расчетным данным выполнена проверка нормальности распределения случайной величины. Далее путем применения методов статистической обработки, с доверительной вероятностью 95% доказано, что полученные экспериментальные результаты соответствуют расчетным значениям.

Основные технические эффекты, обеспечиваемые при внедрении разработанной системы и снижении вторичного напряжения:

• уменьшение потерь электрической энергии на 1,87 млн. кВт-ч/год;

• улучшение условий коммутации двигателей чистовой группы за счет ограничения межламельного напряжения в динамических режимах;

• обеспечение безопасного инвертирования при снижениях напряжения сети;

• создание технических предпосылок прокатки полос «тяжелого» сортамента.

Результаты расчета потерь активной мощности и электрической энергии для всех клетей чистовой группы представлены в таблице.

Таблица

Результаты расчета энергетических показателей для ЭП чистовой группы

Параметр Значения по клетям чистовой группы стана 2000

7 8 9 10 11 12 13

а - мвар 6,24 6,51 6,09 6,25 5,67 5,71 5,59

е;,мвАР 6,01 6,18 5,78 6,02 5,35 5,42 5,4

Р& .кВт 945,8 976,4 914,1 936,8 851,1 857,2 839,2

кВт 902,2 927 867,2 902,4 803,2 812,4 809,4

ЛР01, кВт 43,6 49,4 46,9 34,4 47,9 44,8 29,8

АРд, ,% 4,6% 5,1% 5,1% 3,7% 5,6% 5,2% 3,6%

Расчетный экономический эффект в денежном выражении превышает 2,7 млн. руб./год. Он достигается без применения компенсирующих устройств, т.е. практически без капитальных затрат.

Результаты внедрения и опытно-промышленных испытаний разработанной системы на стане 2000 ОАО «ММК» подтверждены соответствующими актами. Разработанные системы рекомендуются для внедрения на других станах горячей прокатки. Также рекомендуется использование результатов в учебном процессе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. В результате теоретических и экспериментальных исследований показано, что ухудшение энергетических показателей тиристорных электроприводов клетей стана 2000 ОАО «ММК» вызвано динамическим запасом выпрямленной ЭДС, составляющем 23,6% максимальной выпрямленной ЭДС или 27,1% номинального выпрямленного напряжения. Уровень реактивной мощности при номинальном токе нагрузки составляет около 5 МВАр (на клеть), что приводит к потерям электрической энергии в пределах 5,5 млн. кВт ч/год.

2. Разработана система ДЗРС с автоматическим регулированием уставки ЭДС в функции напряжения сети, обеспечивающая запас выпрямленной ЭДС ТП, необходимый для безопасного инвертирования, за счет автоматического пропорционального снижения ЭДС двигателя при отклонениях напряжения сети.

3. Разработаны способ и система двухзонного регулирования скорости с автоматическим регулированием задания выпрямленной ЭДС, обеспечивающие отработку ударного приложения нагрузки и режима ускорения электропривода под нагрузкой без превышения выпрямленной ЭДС ТП установившегося значения.

4. Разработан электропривод с переключающейся структурой, обеспечивающий снижение запаса выпрямленной ЭДС ТП за счет ограничения ее перерегулирования в начальный момент ускорения электродвигателя, возникающего вследствие динамического падения напряжения на индуктивном сопротивлении цепи выпрямленного тока.

5. Разработана комбинированная система ДЗРС с переключением координаты, регулируемой по цепи возбуждения, и автоматическим изменением задания ЭДС, обеспечивающая уменьшение запаса выпрямленной ЭДС путем ее ограничения на номинальном уровне в течение всего цикла работы под нагрузкой.

6. В результате исследований, выполненных с помощью разработанной математической модели, а также экспериментальных исследований на созданной лабораторной установке, подтверждена целесообразность внедрения предложенных систем двухзонного регулирования в электроприводах стана 2000. Установлено, что показатели основных координат электропривода в динамических режимах за цикл прокатки в существующей и разработанных системах отличаются на 2,5-5%. Следовательно, применение разработанных систем не приведет к отклонению параметров технологического процесса.

7. Разработанная комбинированная система двухзонного регулирования скорости внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию в чистовой группе стана 2000 ЛПЦ-10 ОАО «ММК». В ходе экспериментов, проведенных на стане, подтверждены работоспособность разработанной системы и высокая техническая эффективность ее применения.

8. Показано, что за счет внедрения разработанной системы и проведения мероприятий по снижению запаса выпрямленной ЭДС тиристорных преобразователей экономия электрической энергии составляет 1,87 млн. кВт ч/год. Расчетный экономический эффект в денежном выражении превышает 2,7 млн. руб./год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Научные статьи, опубликованные в рецензируемых изданиях:

1. Совершенствование автоматизированных электроприводов и диагностика силового электрооборудования / И.А. Селиванов, В.Р. Храмшин, A.A. Лукин и др. // Известия вузов. Электромеханика. 2009. № 1. - С. 5-11.

2. Математическое моделирование тиристорного электропривода с переключающейся структурой / A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, A.A. Лукин и др. // Известия вузов. Электромеханика. 2010. № 3. - С. 47-53.

3. Новые технические решения в электроприводах и системах регулирования технологических параметров станов горячей прокатки / A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, A.A. Лукин и др. // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Ч. 2. - С. 34-40.

4. Экспериментальные исследования тиристорных электроприводов с двухзонным регулированием скорости с улучшенными энергетическими характеристиками /A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, A.A. Лукин и др. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Энергетика». Вып. 13. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2010. № 14(190). - С. 67-72.

Публикации в других изданиях:

5. Энергосберегающие автоматизированные электроприводы агрегатов прокатного производства / В.В. Головин, В.Р. Храмшин, A.A. Лукин и др. // Сборник докладов I международной научно-практической конференции «ИНТЕХМЕТ-2008». - Санкт-Петербург, 2008. - С. 346 - 350.

6. Тиристорные электроприводы прокатного стана с улучшенными энергетическими характеристиками / A.C. Карандаев, В.Р. Храмшин, A.A. Лукин и др.// Электротехнические комплексы и системы: Межвузовский научный сборник - Уфа: УГАТУ, 2009. - С. 31-35.

7. Лукин A.A., Мерзляков Ю.В. Повышение надежности электродвигателей клетей широкополосного стана 2000 ОАО «ММК» // Тезисы докладов международной научно-технической конференции молодых специалистов. -Магнитогорск: ОАО «ММК», 2009. -С. 108-109.

8. Исследование электропривода с двухзонным регулированием скорости в функции выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя / В.В. Головин, В.Р. Храмшин, A.A. Лукин и др. // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сборник научных трудов. - Магнитогорск: МГТУ, 2009. Вып. 16.-С. 113-121.

Ui

к/

9. Храмшин В.Р., Лукин A.A. Двухзонное регулирование скорости электроприводов прокатных станов с улучшенными энергетическими показателями // Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов: Сборник трудов международной научно-технической конференции -Тольятти: ТГУ, 2009. - С. 98-100.

10. Мерзляков Ю.В., Толмачев Г.Г., Лукин A.A. Разработка технических мероприятий по улучшению коммутации электродвигателей широкополосного стана 2000 ОАО «ММК» //Повышение конкурентоспособности металлургических и машиностроительных предприятий: Сборник докладов - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. - С. 175-176.

И. Лукин A.A. Разработка тиристорных электроприводов с двухзонным регулированием скорости с улучшенными энергетическими показателями //Материалы докладов V международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». В 4 т.; Т. 3 - Казань: КГТУ, 2010. - С. 72-73.

12. Лукин A.A. Способ улучшения энергетических показателей электроприводов прокатного стана без применения компенсирующих устройств //Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения: Сборник трудов - Уфа: УГАТУ, 2010,- С. 130-132.

13. Лукин A.A., Храмшин В.Р. Энергосбережение в системах электроснабжения прокатных станов без применения компенсирующих устройств [Электронный ресурс] //Молодежь и наука»: Сборник статей VII-ой Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Красноярск: СФУ, 2011. - URL: http//conf.sfu-kras.ru/sites/mn2011/thesis/sl/sl_25.pdf. (дата обращения 01.02.2012)

14. Храмшин В.Р., Карандаев A.C., Лукин A.A. Электроприводы клетей прокатных станов с улучшенными энергетическими показателями // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сборник научных трудов. -Магнитогорск: МГТУ,2011. Вып. 18.-С. 153-158.

Бумага тип. №1. Заказ 119

Подписано в печать 21.02.2012. Формат 60x84 1/16. Плоская печать. Усл. печ. л. 1,00. Тираж 100 экз.

455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

61 12-5/3452

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

На правах рукописи

ЛУКИН АЛЕКСАНДР АНДРЕЕВИЧ

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ШИРОКОПОЛОСНОГО СТАНА ГОРЯЧЕЙ

ПРОКАТКИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Храмшин В.Р.

Магнитогорск 2012

12

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТИРИСТОРНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПРОКАТНОГО СТАНА С ДВУХЗОННЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ СКОРОСТИ

1.1. Задачи улучшения энергетических показателей тиристорных электроприводов прокатных станов

1.2. Система двухзонного зависимого регулирования скорости в функции ЭДС двигателя

1.2.1. Описание системы 15

1.2.2. Характеристики системы ДЗРС 17

1.3. Анализ причин ухудшения энергетических показателей тиристорных электроприводов прокатных станов 22

1.4. Анализ составляющих запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя электропривода клети стана горячей прокатки 27

1.5. Концепция систем двухзонного регулирования с улучшенными энергетическими показателями 29

1.6. Известные электроприводы с двухзонным регулированием скорости, реализующие разработанную концепцию 31

1.6.1. Система двухзонного регулирования скорости в функции выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя 32

1.6.2. Электропривод с двухзонным регулированием с переключением координаты, регулируемой по цепи возбуждения 36

1.7. Способ регулирования уставки ЭДС в функции напряжения сети 38

1.8. Выводы и постановка задачи исследований 40

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ СЕТИ И РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

КЛЕТЕЙ СТАНА 2000 ЗА ЦИКЛ ПРОКАТКИ 43

2.1. Постановка задачи исследований 43

2.2. Схема электроснабжения РУ 10 кВ стана 2000 44

2.3. Отклонения напряжения сети 47

2.4. Система управления возбуждением с автоматическим регулированием ЭДС в функции напряжения сети

2.5. Анализ осциллограмм координат электропривода за цикл

55

прокатки

2.6. Энергетические показатели электроприводов стана 2000 60

ВЫВОДЫ 64

Глава 3. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ДВУХЗОННЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ СКОРОСТИ С ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИМИСЯ СТРУКТУРАМИ 66

3.1. Обоснование разработки 66

3.2. Способ зависимого управления потоком возбуждения с автоматическим регулированием выпрямленной ЭДС тиристорного

70

преобразователя

3.2.1. Описание способа

3.2.2. Система двухзонного регулирования, реализующая разработанный способ ^2

3.3. Разработка электропривода с переключающейся структурой, обеспечивающего снижение запаса выпрямленной ЭДС ТП в режиме разгона под нагрузкой

3.3.1. Способ управления, обеспечивающий снижение запаса выпрямленной ЭДС в режиме разгона электропривода под нагрузкой

3.3.2. Электропривод с переключающейся структурой с ограничением перерегулирования выпрямленной ЭДС в начальный момент ускорения под нагрузкой

3.4. Электропривод с переключающейся структурой, обеспечивающий снижение запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя в течение всего цикла прокатки ВЫВОДЫ 83

74

75

76

81

91

91

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И НА ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКЕ

4.1. Разработка математической модели 84

4.1.1. Задачи моделирования 84

4.1.2. Допущения, принятые при математическом моделировании

ос

объекта

4.1.3. Математическое описание силовой части электропривода

аг

как объекта управления

4.1.4. Структурная схема модели системы двухзонного регулирования скорости в функции выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя 88

4.2. Исследования разработанных электроприводов методами математического моделирования

4.2.1. Ударное приложение нагрузки в известной и разработанных системах

4.2.2. Ускорение под нагрузкой 93

4.2.3. Переходные процессы за цикл прокатки 95

4.3. Экспериментальные исследования разработанных

электроприводов в лабораторных условиях 97

4.3.1. Описание лабораторной установки 9 8

4.3.2. Переходные процессы за цикл прокатки 100

4.3.3. Исследования системы ДЗРС с автоматическим регулированием ЭДС в функции напряжения сети 104

ВЫВОДЫ Ю8

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НА ДЕЙСТВУЮЩЕМ ПРОКАТНОМ СТАНЕ. ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ 110

5.1. Схемы подключения блоков разработанной системы в электроприводе клети стана 2000 110

5.2. Результаты экспериментальных исследований 110

5.3. Результаты опытно-промышленных испытаний внедренной системы

5.4. Оценка технико-экономических показателей внедрения 123

5.4.1. Результаты осциллографирования реактивной мощности 123

5.4.2. Обработка статистических данных 124

5.4.3. Расчет технико-экономической эффективности 131 ВЫВОДЫ 133

136 138 151

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития мировой экономики важнейшей среди межотраслевых проблем является энергосбережение. Это объясняется объективно сложившейся ситуацией, когда проблема нерационального использования энергии получила характер «неизлечимой болезни» [1]. Достаточно отметить, что сегодня в России на единицу выпускаемой продукции расходуется в три раза больше энергетических ресурсов, чем в индустриально развитых странах мира, что делает нашу экономику неконкурентоспособной как на мировом, так и на внутреннем рынках [2, 3].

Проведение технических и организационных мероприятий, связанных с энергосбережением, рациональным потреблением энергии, требует несоизмеримо меньших затрат и усилий по сравнению с затратами на ее дополнительное производство. Практически неограниченные резервы энергосбережения имеются в черной металлургии, предприятия которой потребляют около 18% вырабатываемой в стране электроэнергии [4]. В связи с ростом цен на энергоносители составляющая энергозатрат в себестоимости товарной продукции в черной металлургии в настоящее время достигает 40-45%. Высокая энергоемкость металлургического производства при непрерывном росте стоимости энергоресурсов обуславливает исключительную важность энергосбережения для всех его переделов.

Основным потребителем электрической энергии в черной металлургии является электропривод (ЭП). Установленная мощность электродвигателей на металлургических предприятиях составляет 86,9% мощности всего оборудования, а потребление электроэнергии ими составляет 65,1% общего электропотребления [5, 6]. В связи с этим наибольший процент экономии электрической энергии может быть получен за счет улучшения энергетических показателей электроприводов и в частности, тиристорных ЭП прокатных станов.

Абсолютное большинство отечественных широкополосных станов горячей прокатки (ШСГП) оснащено электроприводами постоянного тока с двухзонным регулированием скорости [7, 8]. Задача улучшения энергетических показателей таких ЭП является наиболее актуальной в связи с их высо-

кой энергоемкостью. Достаточно отметить, что установленная мощность электрооборудования широкополосного стана 2000 горячей прокатки ОАО «ММК» составляет 362 МВА [8]. Годовое потребление электроэнергии листопрокатным цехом № 10 (ЛПЦ-10), где расположен стан 2000, превышает 390 млн. кВт-ч. Установленная мощность электроприводов клетей стана 2000 составляет 139 МВт, в том числе более 96 МВт (26,6%) приходится на долю главных ЭП чистовой группы. Единичная мощность электропривода чистовой клети превышает 14 МВт. Энергетические показатели подобных приводов далеки от оптимальных. Отсюда следует, что поиск резервов экономии электрической энергии в столь мощных потребителях является важной научной и практической задачей.

Основная причина ухудшения энергетических показателей тиристор-ных ЭП вызвана потреблением реактивной мощности, связанным с фазовым регулированием выпрямленного напряжения. Уровень потребляемой реактивной мощности находится в прямой зависимости от величины запаса тири-сторного преобразователя (ТП) по напряжению, т.е. от разности между максимальным выпрямленным напряжением при нулевом угле управления и фактическим выпрямленным напряжением в установившемся режиме работы под нагрузкой [9].

Актуальность задачи снижения электрических потерь и повышения устойчивости прокатки при отклонениях напряжения сети усиливается в связи с переходом широкополосных станов на производство толстых полос из труднодеформируемых марок стали [10, 11]. Так, на стане 2000 освоена прокатка трубной заготовки - полосы толщиной до 18 мм из сляба толщиной до 300 мм. Переход на производство горячекатаных полос толщиной до 25 мм на современных ШСГП является общемировой тенденцией.

Прокатка трубной заготовки на стане 2000 осуществляется на низких скоростях (в ряде случаев, от 0,5 номинальной) при высоких обжатиях, и соответственно при высокой неравномерной нагрузке электроприводов. Исследования режимов прокатки таких полос представлены в [11, 12]. Такая прокатка приводит к опасности потери управляемости электропривода в связи с размыканием контура регулирования скорости. Этот режим, являющийся в

условиях непрерывной прокатки аварийным, возникает при насыщении ти-ристорного преобразователя, которое может быть вызвано двумя основными причинами: снижениями напряжения питающей сети 10 кВ, достигающими при прокатке полос «тяжелого» сортамента 10-15% номинального значения, и значительным перерегулированием выпрямленной ЭДС ТП в динамических режимах, вызванных ударным приложением нагрузки либо ускорением с металлом в валках. Причем в последнем режиме превышение выпрямленной ЭДС над установившемся значением возникает как в процессе разгона (плавное увеличение, достигающее максимального значения в конце разгона), так и в связи с перерегулированием в начальный момент ускорения, вызванным динамическим приращением тока.

Перечисленные особенности прокатки трубной заготовки приводят к необходимости поддержания запаса выпрямленной ЭДС ТП, достигающего на стане 2000 16-25%, что приводит к значительным потерям электрической энергии, вызванной потреблением реактивной мощности (до 5 МВар на клеть). Кроме того, ухудшаются условия коммутации на коллекторе, связанные с перерегулированием выпрямленной ЭДС и соответственно с увеличением межламельного напряжения в динамических режимах [13-15].

Разработки устройств и способов управления, позволяющих за счет схемотехнических решений уменьшить величину требуемого запаса выпрямленной ЭДС ТП, в последние десятилетия проводились Московским энергетическим институтом (Техническим университетом) [16-22], ОАО «Электропривод» [23-26], фирмой «Уралмаш - Металлургическое оборудование» (ранее НИИ Тяжмаш ПО «Уралмашзавод») [27-29], ВНИПИ «Тяж-промэлектропроект» [17-20, 30-33], государственным прокатным институтом «Электротяжхимпроект» [34-38], зарубежными фирмами «Siemens», "SMS-Demag" (Германия), «Voest-Alpine Industrieanlagenbau» [10] и другими.

Однако данная задача по-прежнему является актуальной в связи с отсутствием информации о промышленном внедрении технических решений, обеспечивающих снижение потребления реактивной мощности без применения фильтро-компенсирующих устройств.

Целью диссертационной работы являются разработка и промышленное внедрение энергосберегающих автоматизированных электроприводов прокатных станов, обеспечивающих снижение потерь электрической энергии за счет уменьшения потребления реактивной мощности.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Анализ причин ухудшения энергетических показателей тиристорных электроприводов прокатных станов. Выбор и обоснование направлений энергосбережения за счет совершенствования систем двухзонного регулирования скорости.

2. Экспериментальные исследования напряжения секций 10 кВ стана 2000 ОАО «ММК» и динамических режимов электроприводов за цикл прокатки. Разработка системы управления возбуждением, обеспечивающей необходимый запас выпрямленной ЭДС ТП при отклонениях напряжения сети.

3. Разработка способов улучшения энергетических показателей электроприводов прокатных станов. Разработка энергосберегающих электроприводов с двухзонным регулированием скорости с переключающимися структурами.

4. Разработка математических моделей. Исследование разработанных электроприводов методами математического моделирования. Разработка лабораторной экспериментальной установки. Исследования в лабораторных условиях.

5. Экспериментальные исследования разработанных электроприводов на стане 2000 ОАО «ММК». Опытно-промышленные испытания внедренной системы двухзонного регулирования. Оценка технико-экономической эффективности результатов внедрения.

В соответствии с поставленными задачами содержание работы изложено следующим образом:

В первой главе рассмотрена система двухзонного зависимого в функции ЭДС двигателя регулирования скорости. Дан анализ причин ухудшения энергетических показателей тиристорных электроприводов прокатных станов. Рассмотрена концепция систем двухзонного регулирования, в основу

которой положен принцип перераспределения запаса выпрямленной ЭДС в установившихся и динамических режимах. Рассмотрены известные электроприводы с двухзонным регулированием скорости, реализующие данную концепцию.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям напряжения секций 10 кВ стана 2000 ОАО «ММК». Представлены осциллограммы отклонений напряжений, связанных как с нагрузкой электроприводов, так и случайных, вызванных нагрузкой сторонних потребителей. Предложена система двухзонного регулирования скорости (ДЗРС) с автоматическим регулированием уставки ЭДС в функции напряжения сети. Выполнен анализ осциллограмм координат электропривода за цикл прокатки. Дана оценка энергетических показателей электроприводов стана 2000.

Третья глава посвящена разработке тиристорных электроприводов с двухзонным регулированием скорости с улучшенными энергетическими показателями. Предложены способ и система зависимого управления потоком возбуждения с автоматическим регулированием выпрямленной ЭДС тири-сторного преобразователя. Разработан электропривод обеспечивающий снижение запаса выпрямленной ЭДС ТП в режиме ускорения под нагрузкой. Предложена схема комбинированной системы двухзонного регулирования, обеспечивающей снижение запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя в течение всего цикла прокатки.

В четвертой главе выполнены исследования разработанных электроприводов методами математического моделирования и на лабораторной установке. Представлено описание разработанной математической модели ДЗРС с переключающимися структурами. Выполнено исследование динамических режимов электроприводов в существующей и разработанных системах. Дано описание разработанной лабораторной установки. Представлены результаты экспериментальных исследований координат электроприводов за цикл прокатки. Выполнены исследования переходных процессов при отклонениях напряжения сети в системе с регулированием уставки ЭДС в функции напряжения сети.

Пятая глава посвящена результатам экспериментальных исследований разработанных электроприводов на стане 2000 ОАО «ММК». Представлены схемы подключения дополнительных блоков. Рассмотрены осциллограммы переходных процессов электропривода в динамических режимах и за цикл прокатки. Представлены результаты опытно-промышленных испытаний внедренной системы. Выполнена статистическая оценка полученных в ходе ос-циллографирования результатов. Дана оценка технико-экономической эффективности внедрения.

В заключении приводятся выводы по работе.

В приложении приведены данные электрооборудования стана 2000, использованные при расчетах, структурные схемы математических моделей, акт внедрения результатов работы, акт опытно-промышленных испытаний и копия решения о выдачи патента на изобретение.

По содержанию диссертационной работы опубликовано 14 научных трудов, в том числе 4 в рецензируемых изданиях, поданы 2 заявки на получение патентов РФ, получено решение о выдаче патента. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня, в том числе 6-и международных.

Исследования по теме диссертационной работы выполнялись в рамках Государственного контракта № 16.740.11.0072 «Создание энергосберегающих автоматизированных электроприводов и систем управления, обеспечивающих снижение потребления электрической энергии при производстве листового проката на отечественных металлургических предприятиях» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы и гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых ученых МК-183.2009.8 (соисполнитель гранта).

По теме диссертации, при непосредственном участии автора в 2010 г