автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования устройств поперечной компенсации электротехнических систем электротехнологий

На правах рукописи

005531227

ФРОЗИНОВА Татьяна Юрьевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

УСТРОЙСТВ ПОПЕРЕЧНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.09.03- Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2013

005531227

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Степанов Владимир Михайлович, доктор технических наук, профессор

Панарин Владимир Михайлович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «ТулГУ» профессор

Сергиевский Юрий Николаевич, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», профессор

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Липецкий

государственный технический университет»

Защита состоится «26» июня 2013 г. в 14-00 час. на заседании диссер тационного совета Д 212.271.12 при ФГБОУ ВПО «Тульский государствен ный университет» по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 92 (учебный корпу 9, ауд. 101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВП< «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан «24» мая 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^ Елагин Михаил Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях растущего дефицита энергетических ресурсов, динамики опережающего роста тарифов на электроэнергию возрастает роль энергоэффективности в технологических процессах и развивающейся экономике страны. Оптимизация режимов электропотребления, повышение рентабельности производства и обеспечение конкурентоспособности выпускаемой продукции - стратегическая линия экономической эффективности внедрения энергосберегающих мероприятий.

Поэтому одним из путей снижения потерь электроэнергии, улучшения режимов электроэнергетических систем и систем электроснабжения, повышения качества электроэнергии является установка устройств

компенсации реактивной мощности.

Недостаточный уровень качества электрической энергии вызван электропотребителями с резкопеременной, нелинейной, несимметричной и циклической нагрузкой, что характерно для дуговых сталеплавильных печей (ДСП), которые являются составляющей электротехнологий.

Для компенсации реактивной мощности ДСП применяют в основном быстродействующие компенсаторы с тиристорно-реакторной группой, главной функцией которых, кроме компенсации постоянной составляющей реактивнои мощности и подавления высших гармоник с помощью силовых фильтров, является снижение до необходимого уровня колебаний амплитуд реактивного

тока прямой последовательности.

Однако неполный учет характеристик данных факторов в комплексе при расчете параметров электротехнических устройств поперечной компенсации реактивной мощности и недостаточно эффективное управление ими снижает надежность их функционирования до 30%.

Ухудшение качества электроэнергии приводит к снижению эффектности технологического и электромагнитного характера: увеличение потерь активной мощности и электроэнергии, сокращение срока службы электрооборудования, нарушение нормального хода технологических процессов потребителей.

Поэтому комплексный учет характеристик факторов, влияющих на формирование реактивной мощности и качество электрической энергии для определения рациональных параметров электротехнических устройств поперечной компенсации в электротехнологиях, закона и структуры системы управления ими для повышения эффективности их функционирования, является актуальной научной задачей.

Цель работы - повышение надежности функционирования устройств поперечной компенсации реактивной мощности в электротехнических системах электротехнологий путем обоснования их рациональных параметров, закона и структуры управления переходными процессами, комплексно учитывающих резкопеременную, несимметричную и циклическую нагрузку, высокочастотные гармоники, ток обратной последовательности и квазистационарные электромагнитные процессы при формировании реактивной мощности.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи исследования:

1 Анализ методов расчета, моделирования и условий эксплуатации устройств поперечной компенсации реактивной мощности.

2 Разработка математической модели системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор», учитывающей в комплексе резкопеременную, нелинейную, несимметричную и циклическую нагрузку, высокочастотные гармоники, ток обратной последовательности и квазистационарные переходные электромагнитные процессы, и установление закономерностей формирования управляющего воздействия устройствами поперечной компенсации реактивной мощности в электротехнических системах электротехнологий.

3 Исследование математической модели для расчета рациональных параметров системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор», структуры и топологии управления устройствами поперечной компенсации реактивной мощности.

4 Определение уровня надежности и условий реализуемости конструкционной и функциональной надежности системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор».

5 Разработка методики определения рациональных параметров по критерию надежности системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор».

6 Численное и экспериментальное исследование режимов работы системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь -статический тиристорный компенсатор».

7 Определение экономических показателей эффективности системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор».

Идея работы заключается в достижении требуемого уровня надежности функционирования устройств поперечной компенсации на основе эффективного закона и структуры управления переходными процессами в электротехнических системах и условий реализуемости их рациональных параметров.

Объект исследования — электротехнический комплекс «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор».

Предмет исследования - электромагнитные и электромеханические процессы, протекающие в электротехническом комплексе «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор».

Методы исследования, используемые в работе, основаны на совокупности применения теории электрических цепей, автоматического управления,

теории надежности технических систем, теории вероятностей и математической статистики, эксперимента с широким применением ЭВМ.

Автор зашишает:

1 Математическую модель системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор», учитывающую в комплексе резкопеременную, нелинейную, несимметричную и циклическую нагрузку, высокочастотные гармоники, ток обратной последовательности и квазистационарные переходные электромагнитные процессы, и зависимости для определения ее рациональных параметров, на основе исследования

математической модели системы.

2 Закономерности формирования управляющего воздействия устройствами поперечной компенсации реактивной мощности в электротехнических системах электротехнологий, комплексно учитывающие характеристики переходных процессов в системе «электропитающая система -дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор».

3 Условия реализуемости математической модели системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор» и технические решения рациональной структуры топологии управления устройствами поперечной компенсации реактивной мощности.

Научная новизна заключается в определении рациональных параметров системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь -статический тиристорный компенсатор», закономерностей формирования закона и структуры управления устройствами поперечной компенсации путем учета в комплексе характеристик факторов, влияющих на формирование реактивной мощности и качество электрической энергии для повышения эффективности функционирования электротехнических систем электротехнологий.

Она представлена следующими результатами:

определены зависимости для расчета рациональных параметров электротехнического комплекса «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор», учитывающие в комплексе резкопеременную, нелинейную, несимметричную и циклическую нагрузку, высокочастотные гармоники, ток обратной последовательности и квазистационарные переходные электромагнитные процессы на основе исследования его математической модели;

установлены закон и условия формирования рациональной структуры системы управления электротехническими устройствами компенсации реактивной мощности, обеспечивающие повышение эффективности их функционирования в электротехническом комплексе

электртехнологий;

установлены закономерности формирования флуктуации напряжения в точке подключения электротехнологий (ДСП), комплексно учитывающие характеристики факторов влияющих на питающую сеть;

разработан алгоритм функционирования системы управления устройством поперечной компенсации (СТК) электротехнических устройств электротехнологий (ДСП);

установлены зависимости, учитывающие электромагнитные переходные процессы при компенсации реактивной мощности для оценки качества работы СТК в составе электротехнического комплекса «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь — статический тиристорный компенсатор».

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечены физически обоснованными допущениями, адекватностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми составляет 10,5%.

Практическая значенпе. Разработаны методика расчета рациональных параметров и алгоритм управления устройством поперечной компенсации (СТК) электротехнических систем электротехнологий (ДСП), комплексно учитывающие резкопеременную, нелинейную, несимметричную и циклическую нагрузку, высокочастотные гармоники, ток обратной последовательности и квазистационарные переходные электромагнитные процессы и методика расчета рациональных параметров электротехнического комплекса «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь -статический тиристорный компенсатор».

Реализация результатов работы.

1 Результаты работы используются в ЗАО «Нидек АСИ ВЭИ» при разработке быстродействующих устройств компенсации реактивной мощности для резкопеременной, циклической и других видов нагрузки. Технико-экономический эффект от внедрения результатов работы составляет около 8 млн. руб. в год.

2 Разработанная математическая модель электротехнического комплекса «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор» используется при исследовании влияния переходных процессов на выбранное силовое оборудования СТК для ДСП в ЗАО «Нидек АСИ ВЭИ».

3 Основные научно-практические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в курсах: «Электромагнитная совместимость в электроэнергетике», «Основы проектирования электроэнергетических систем», «Электроснабжение промышленных предприятий», читаемых на кафедре «Электроэнергетика» Тульского государственного университета.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных магистерских научно-технических конференциях ТулГУ (г. Тула, 2009 - 2013 гг.), V и VI молодёжной научно-практической конференции ТулГУ МОЛОДЁЖНЫЕ ИННОВАЦИИ (г. Тула, 2011 г.), Пятой международной Школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение-теория и практика» (г. Москва, 2010 г.), VI Международной конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-

2010» (г. Тула, 2010 г.), Международной научно-технической конференции «Энергосбережение-2011» (г. Тула, 2011 г.), 7-ой и 8-ой Международной конференции «Силовая электроника и энергетика» (г. Москва, 2010-2011 г.), VII Международной конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2012» (г. Иваново, 2012 г.).

Публикации. Основные научные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, из них 5 - в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент на полезную модель № 112532.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 110 наименований. Диссертация изложена на 134 страницах машинописного текста, включая 4 таблицы, 34 рисунка.

Автор выражает благодарность научному руководителю - доктору технических наук, профессору Степанову Владимиру Михайловичу и техническому руководителю проектов ЗАО «Нидек АСИ ВЭИ», кандидату технических наук Фомину Андрею Васильевичу за научные консультации и помощь при работе над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, отмечаются научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проводится обобщение и анализ научно-практической литературы по конструктивным схемам, условиям эксплуатации, методам моделированию! переходных процессов, расчета параметров и надежности электротехнических устройств поперечной компенсации реактивной мощности в электротехнических системах электротехнологий. Сформулировано назначение и основные функции наиболее распространенного статического тиристорного компенсатора: стабилизация напряжения; регулирование перетоков мощности; повышение пропускной способности линий электропередач за счет обеспечения статической и динамической устойчивости; ограничение коммутационных перенапряжений; компенсация несимметричных режимов работы и подавление высших гармоник тока и т.д. Отмечены основные преимущества СТК по сравнению с основными источниками реактивной мощности. Выполнен анализ схем устройств поперечной компенсации. Обоснована наиболее рациональная топология и схема, содержащая управляемые тиристорами реакторы и конденсаторную часть, выполненную в виде набора фильтров. Выбранная схема позволяет в любой момент поддерживать параметры сети на заданном уровне, путем равенства генерируемой мощности фильтро-компенсирующих устройств мощности, потребляемой тиристорно-ректорной группой и резкопеременной нагрузкой.

Резкопеременный характер потребления реактивной мощности вызывает колебания напряжения в сети. Нагрузки дуговых печей ввиду неравномерности потребления тока по фазам могут вызывать значительную несимметрию напряжения. При нелинейной нагрузке в сети появляются высшие гармоники тока и напряжения, искажается синусоидальная форма тока и напряжения.

При компенсации реактивной мощности в сетях с резкопеременной нагрузкой должно учитываться следующее:

ввиду низкого коэффициента мощности потребителей и резкопере-менного характера нагрузки необходимо осуществить компенсацию постоянной и переменной составляющей реактивной мощности. Компенсация постоянной составляющей реактивной мощности необходима для уменьшения потребления реактивной мощности от энергосистемы. Компенсация переменной составляющей реактивной мощности преследует цель уменьшения колебаний напряжения в питающей сети;

• ввиду быстрых изменений потребляемой реактивной мощности необходимо применение быстродействующих компенсирующих устройств, способных изменять регулируемую реактивную мощность со скоростью, соответствующей скорости наброса и сброса потребляемой реактивной мощности;

ограничивается применение батарей конденсаторов для компенсации постоянной составляющей реактивной мощности в сети с резкопеременной нагрузкой. Это обусловлено наличием в сети высших гармоник тока и напряжения при работе резкопеременной нагрузки, которые приводят к значительным перегрузкам батарей конденсаторов;

• при наличии в сети высших гармоник тока и напряжения включение конденсаторов приводит к резонансным явлениям на частотах высших гармоник, что ведет к нарушению нормальной работы батарей конденсаторов.

Поэтому необходимо выделить следующие требования: диапазон регулирования (генерация - потребление реактивной мощности), тип управления (симметричный или пофазный), статизм внешней характеристики (зависимость реактивной мощности от напряжения), обеспечение работы при малых и больших изменениях напряжения, требуемые перегрузки, быстродействие регулирования реактивной мощности (в том числе требуемые уровни высших гармоник тока при повышениях напряжения).

Вторая глава посвящена разработке математической модели электротехнического комплекса «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор». Математическая модель элек-тропитающей системы включает модели синхронного генератора, линий электропередачи и трансформатора. Модель дуговой сталеплавильной печи и статического компенсатора включает модель электрической дуги, системы автоматического регулирования мощности печи, короткой сети, электропечного трансформатора и статического тиристорного компенсатора.

Для рассматриваемого объекта необходимо учитывать стадии плавок, несимметричные режимы работы, броски тока при включении печного трансформатора, а так же воздействие изменяемых параметров на сеть.

Колебания напряжения и частоты вызываются работой электроприемников с резкопеременным характером потребления мощности. Практически во всех случаях колебания напряжения и частоты сопровождают друг друга: при этом резко изменяется характер потребления как активной, так и реактивной мощности. Изменяющаяся продольная составляющая вектора падения напря-

жения приводит к изменению модуля напряжения, а изменяющаяся поперечная составляющая — к изменению угла вектора напряжения. При набросе нагрузки угол вектора напряжения увеличивается, что приводит к увеличению периода синусоиды в течении наброса (снижению частоты), а при сбросе нагрузки — наоборот. Изменение частоты связано с изменением угла вектора напряжения ¿кр, град, и продолжительностью наброса нагрузки /б, с, соотношением:

О)

* 360 " у

Изменения угла вектора напряжения определяют по формуле

= —(2)

При периодических набросах и сбросах нагрузки частота в течении времени будет ниже рабочего значения на 5/, затем (в течении времени постоянной нафузки) равной рабочему значению, а в течении времени сброса нагрузки — выше рабочего значения ф.

Дополнительные потери мощности от искажений симметрии и синусоидальности токов и напряжений можно определить по формуле

ВРЖ =(3/12+3/1+М1|:/^)/г-ДРс, (3)

у=2

где ЛРС — потери при передаче по линии той же мощности в симметричном и синусоидальном режиме.

Снижение потерь мощности в линии за счет симметрирования токовых нагрузок фаз определяют по формуле, кВт:

Ъ (4)

Ш (.2

где К — сопротивление линии; 11н2 и — токовые нагрузки фаз до и после симметрирования.

При известных значениях токов обратной последовательности Ьв и 12ж снижение потерь определяют по формуле

(5)

Снижение потерь мощности за счет снижения токов и напряжений высших гармоник определяют по формуле

(6)

Дополнительные потери мощности от искажений симметрии и синусоидальности токов и напряжений для трансформаторов можно определить по формуле

я», = и2 (7)

у.2 У-у/У 10

где и2ии,-напряжения обратной последовательности у-й гармоники, %; Бт.ном — номинальная мощность трансформатора.

Снижение потерь мощности в трансформаторах за счет снижения напряжения обратной последовательности определяют по формуле, кВт:

Снижение потерь мощности в трансформаторах за счет снижения токов и напряжений высших гармоник определяют по формуле

(9)

Ю уш 2

Дуговые сталеплавильные печи относятся к мощным нагрузкам с неодинаковым потреблением по фазам. Ток, проходящий по дуге каждой фазы определяется расстоянием между электродом и шихтой. Обвалы шихты в период ее расплава не позволяют поддерживать одинаковые расстояния во всех фазах и их токи оказываются разными.

Ряд исследователей применяют теоретические модели проводимости дуги, приводящие к дифференциальным уравнениям, связывающие ток и напряжения. Наибольшее распространение получила модель Касси для проводимости дуги

__*), (10)

Л © V*

где % - проводимость дуги; I - мгновенное значение тока дуги; и - действующее значение напряжения на дуге; © - постоянная времени проводимости дуги.

Поскольку член правой части зависит не только от входной вели-

чины но и от выходной % - уравнение становится нелинейным относительно % и не совпадает с уравнением классического инерционного звена.

Для характеристики скорости изменения параметров дуги в нестационарном процессе удобно использовать понятие «постоянная времени дуги», т.е. скорость изменения одной из переменных: температуры, тока, проводимости дуги.

Неизвестная постоянная времени © может быть подобрана на основе сравнения динамических вольтамперных характеристик, рассчитанных для различных © и динамических вольтамперных характеристик, полученные экспериментально по приблизительному совпадению их форм. По результатам такого сопоставления © =100 мкс в начале расплавления, 0 =600 мкс к концу расплавления, © =2000 мкс в период окисления, 0 =5000 мкс в период рафинирования.

В качестве передаточной функции регулятора системы автоматического регулирования дуговой сталеплавильной печи принята прередаточная функция:

КЮ^ГуЮ-^Ср), (11)

где передаточная функция регулятора САР дуговой сталеплавильной печи представлена передаточными функциями разомкнутой системы усилителя (И'уОО). от которого получает питание привод и передаточной функцией исполнительного механизма - Фш^).

Основные элементы ,моделн дуговой сталеплавильной печи - короткая сеть, модель электрической дуги, регулятор мощности дуговой сталеплавильной печи.

Блок-схема электротехнической системы дуговой сталеплавильной печи состоит из стандартных блоков: электропечной трансформатор, измерительный орган, осциллограф, сериесный реактор, короткая сеть.

Установлено влияние резкопеременной, нелинейной, несимметричной и циклической нагрузки, высокочастотных гармоник на квазистационарные переходные электромагнитные процессы.

В третьей главе разработана методика определения рациональных параметров системы по критерию надежности. Для установления условий реализуемости функциональной' надежности системы «электропитающая система-дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор» определяется уровень ее надежности

(12)

Чн к..

где <?„ и Чс-вероятности отказа системы существующего и нового технического уровня; - коэффициент технического уровня, равный

г. _ 1 ЛоУс ~ 1 к

5ЦГ 50„

ДР.

(13)

"217» лЦн ЛС'(")» У0 »

где кои - коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности; к2и- коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности; ки - коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения; ки(п) -коэффициент п-гармонической составляющей напряжения; 5иу - установившееся отклонение напряжения; АР - дополнительные потери от протекания токов высших гармоник.

На основе сравнительного анализа известных методик выбрана рациональная методика по выбору мощности тиристорно-реакгорной группы (ТРГ) и фильтрокомпенсирующих цепей (ФКЦ) СТК для резкопеременной, несимметричной нагрузки

(14)

Исходя из структуры взаимосвязанных элементов и устройств системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор» и равной вероятности отказов по общеизвестным зависимостям структурной надёжности устанавливается требуемая вероятность отказов Чнм = ?«№) и уровень показателей (табл. 1).

Таблица 1

X™, 1/ч Тонм» Ч 1дп, Ч Кгям кТИви к„ Кн кщ ко

0,008 0,991 0,0018 14,1 416,9 1,64 0.9963 0,942 1,461,8 1,511,95 0,9955 0,6323

где Рнм - вероятность безотказной работы; ^ - требуемое время безотказной работы; Я™ - допустимая интенсивность отказов; Т0Нм - требуемое среднее вре-

мя наработки на отказ; 1да — допустимое время простоя; К^ - коэффициент готовности; ктини - требуемое значение коэффициента технического использования; кп — коэффициент перегрузит; Кн — коэффициент надежности (запаса) по конструкционному материалу; кш - коэффициент условий работы, учитывающий изменение нагрузки; ко — коэффициент однородности конструкционных материалов, учитывающий изменение механических свойств.

Условия реализуемости конструкционной и функциональной надёжности системы:

^Д е-2 - с- . ^ _

Ы ' (15)

где ^ - действующее усилие на элементы системы; Рн - нормативное значение усилия; Тос - среднее время наработки на отказ существующей системы.

Применение устройств поперечной компенсации позволит определить рациональные режимные параметры электротехнических систем электротехнологий путем ускорения протекающих в них технологических процессов с целью повышения производительности агрегата й снижения себестоимости стали.

Таблица 2

№ Наименование критерия Функциональная зависимость Экстремум

1 Расход электрической энергии \У = /{1,Т],Ж) макс

2 Коэффициент полезного действия печи т} = /{1,Р,&Р,ЯГ) макс

3 Производительность печи в =./(/, Р,5Ц) макс

4 Время плавления Т = /{1,Р,1У) мин

Для вычисления реактивной мощности при несинусоидальных режимах используют интегральные и частотные методы расчета. Интегральные методы определения реактивной мощности позволяют найти ее значения без разложения кривых токов и напряжений в ряд Фурье, что в ряде случаев значительно упрощает решаемую задачу. Интегральные методы оценки реактивной мощности в основном носят формальный характер и не могут быть применимы при расчете реактивной мощности резкопеременной нагрузки.

При расчетах нелинейных электрических цепей широко используется гармонический анализ, поэтому целый ряд методов определения реактивной мощности основан на разложении кривых тока и напряжения в ряд Фурье.

Компенсация нагрузки включает два отдельных действии: одно - корректировка коэффициента электрической мощности, второе - уравновешивание нагрузки. Если оба действия выполнены, они вместе определяют общую реактивную мощность, необходимую для компенсации.

При обосновании структуры управления учитывают измеренные составляющие токов и с помощью системы управления выставляют требуемые проводимости фаз компенсатора

Кь =" - -Ляе/,, +Ьп7л;

Я* «-^-(Ьа/^ + л/ЗКе/^ + Ьп/.Д

Для реализации закона управления разработана топология системы управления, основным назначением которой является регулирование напряжения в системе за счет регулирования потребления и выдачи реактивной мощности компенсатора путем выработки управляющих импульсов, подаваемых на тиристорные вентили в соответствии с измеряемыми переменными системы и сигналами опреатора. Реализация функций системы управления учитывает измерение необходимых параметров режима сети и компенсатора; управление, включая выработку сигналов регулирования для получения требуемых статических и динамических характеристик; формирование управляющих импульсов, и должна содержать фильтрокомпенсирующие цепи, обеспечивающие компенсацию реактивной мощности, потребляемую нагрузкой, а также осуществляющие фильтрацию высших гармоник тока, создавая тем самым условия для улучшения качества электроэнергии в питающей сети. Фильтры состоят из конденсаторных батарей и последовательно соединенных с ними фильтровых реакторов.

В четвертой главе разработано техническое решение системы «электро-питающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный

компенсатор» (рис. 1). ,

Система автоматического управления СТК обеспечивает быструю компенсацию реактивной мощности нагрузки и поддержание регулируемого параметра в соответствии с заданной уставкой, выполняет защиту оборудования СТК, контроль и сигнализацию отказов, независимое регулирование мощности и симметрирование сетевого напряжения; быстродействие в переходных режимах; обеспечение качества |гармонического состава тока и напряжения.

Разработанная система управления СТК содержит три независимых вычислителя текущих значений требуемых проводимостей трех независимых линейных реакторов, подключенных к трехфазной сети треугольником, каждый через пару встречно-параллельно соединенных тиристоров с соответствующей системой импульсно-фазового управления.

Реактивный ток сети, измеренный трансформаторами тока и напряжения является суммой реактивного тока нагрузки, емкостной и индуктивной часта исполнительного органа. Измеренные параметры необходимы для расчета требуемых значений реактивных проводимостей фаз ТРГ (Д«> Ввс, Вел)- Кроме

сигнала вычислителя, на сумматор подается сигнал вычисленный по второму каналу.

Второй канал включает в себя блок вычисления пофазного отклонения напряжения, вычислитель реактивной мощности и интегратор. В связи с тем, что контролируемые сигналы токов и напряжений не являются идеальными синусоидами и помимо основной содержат ряд высших гармоник, то надежное функционирование систем управления может быть обеспечено за счет введения фильтров. Их задачей является подавление высших гармонических составляющих и обеспечение минимальной фазовой задержки по постоянной составляющей сигнала, которая несёт в себе полезную информацию.

Фильтр

ли

1

СИФУ

ТРГ

Нагр.

Рис. 1. Функциональная схема системы автоматического регулирования СТК

На выходе регулятора формируется дополнительная составляющая реактивной проводимости Дцоп, которая суммируется с выходными сигналами вычислительного блока. Величина Дцоп напрямую зависит от сигнала задания (уставки) на реактивную мощность комплекса. Суммарный сигнал является заданием реактивной проводимости компенсатора. Эта величина, по существу, является мерой выдаваемой или потребляемой реактивной мощности, необходимой для поддержания напряжения сети на заданном уровне. Сигнал задания реактивной проводимости поступает на блок формирования управляющих импульсов, функцией которого является выработка управляющих импульсов с необходимыми параметрами с целью получения требуемой выходной реактивной мощности. Путем регулирования угла управления тиристорных ключей, можно получить плавное изменение реактивной мощности ТРГ во всем диапазоне. На выходе системы импульсно-фазового управления (СИФУ) формируются управляющие импульсы, которые поступают на вход ТРГ.

На основании исследования математической модели динамики электромагнитных процессов, функциональных связей в системе «электропитающая система — дуговая сталеплавильная печь — статический тиристорный компенсатор» и установленных зависимостей, разработана структурная схема системы (рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема системы Передаточная функция системы

УУ' pN{p) (17)

Составляя характеристическое уравнение системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор», структурная схема которой представлена на рисунке 2, рассчитываем график областей устойчивости системы. Определена область устойчивого равновесия системы. Коэффициент полезного действия по результатам исследования устойчивости системы г)=0,98.

Численное моделирование переходных процессов в системе «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор» и ее элементов, сравнение расчетных и экспериментальных данных на 45 экспериментах при различных стадиях плавки показало, что их расхождение не превышает 10,5%, что допустимо в инженерных расчетах.

Разработанное техническое решение позволяет повысить эффективность функционирования устройств поперечной компенсации электротехнических систем электротехнологий на 20% за счет комплексного учета резкоперемен-ной, нелинейной, несимметричной и циклической нагрузки, высокочастотных гармоник и квазистационарных переходных электромагнитных процессов, по сравнению с системой, предложенным A.B. Фоминым, что подтверждают данные таблицы 3.

Таблица 3

Частота напряжения, Гц Действующее значение напряжения сети относительно основной частоты (50Гц),%

при применении алгоритма для СУ СТК по A.B. Фомину при применении предложенного алгоритма для СУ СТК

5 0,01 0,008

10 0,02 0,016

15 0,01 0,008

25 0,01 0,008

Как видно из экспериментальных исследований разработанная система управления СТК улучшает показателя качества электроэнергии. При подключении СПС:

1 1

- напряжение повышается за счет компенсации реактивной мощности, потребляемой ДСП в процессе плавки (рис. 3, 6);

- уменьшаются амплитуды колебаний напряжения (рис. 3, 6);

- уменьшается коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности (рис. 4, 7);

- уменьшается значение дозы фликера (рис. 5, 8).

Рис. 3. Мгновенные действующие значения напряжения прямой последовательности при применении алгоритма для СУ СТК по Фомину, В

Рис. 4. Мгновенные значения коэффициента несимметрии напряжения при применении алгоритма для СУ СТК по Фомину

Fundamental (ЗОН z) - 1.377е + 0.05 , THD - 0.15%

Frequency (Hz)

Рис. 5. Плотность гармонического распределения напряжения при применении алгоритма для СУ СТК по Фомину

Рис. 6. Мгновенные действующие значения напряжения прямой последовательности при применении предложенного алгоритма для СУ СТК, В

Рис. 7. Мгновенные значения коэффициента несимметрии напряжения при применении предложенного алгоритма для СУ СТК

Fundamental (50Hz) = 1 .3 7 7е+0.05 , Т Н D - 0.1 5«

Frequency (Iiz)

Рис. 8. Плотность гармонического распределения напряжения, полученная при применении предложенного алгоритма для СУ СТК

В результате внедрения разработанной структуры системы и топологии управления переходными процессами экономический эффект составляет 8 млн. руб. в год, что подтверждает правильность полученных выводов, разработанных рекомендаций и технических решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой поставлена и решена задача обоснования рациональных параметров, условий формирования закона и структуры топологии управления переходными процессами в электротехническом комплексе «электропитающая система — дуговая сталеплавильная печь — статический ти-ристорный компенсатор», в комплексе учитывающих влияние резкоперемен-

ной, нелинейной, несимметричной, циклической нагрузки и высокочастотные гармоники, квазистационарные переходные процессы, обеспечивающих повышение эффективности функционирования устройств поперечной компенсации реактивной мощности.

Основные результаты работы и выводы заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор», учитывающая в комплексе поэлементное моделирование переходных процессов и резкопеременную, нелинейную, несимметричную и циклическую нагрузку, высокочастотные гармоники, ток обратной последовательности и квазистационарные переходные электромагнитные процессы.

2. Установлены закономерности формирования флуктуаций напряжения в точке подключения резкопеременной, нелинейной, несимметричной и циклической нагрузки, комплексно учитывающие высокочастотные гармоники и квазистационарные переходные электромагнитные процессы.

3. Определены рациональные параметры системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор» на основе исследования обобщенной математической модели и разработана методика их определения по критерию надежности.

4. Установлены условия формирования закона и структуры управления переходными процессами в системе «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор» и ее элементах.

5. Численное моделирование переходных процессов в системе «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор» и ее элементах, сравнение расчетных и экспериментальных данных на 45 экспериментах при различных стадиях плавки показало, что их расхождение не превышает 10,5%, что допустимо в инженерных расчетах, при этом эффективность функционирования повышается до 30%.

6. Проведены экспериментальные исследования применения разработанной системы управления переходными процессами и получен экономический эффект от ее внедрения 8 млн. руб. в год, который подтверждает правильность полученных выводов, разработанных рекомендаций и технических решений по повышению эффективности функционирования устройств поперечной компенсации электротехнических систем электротехнологий.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. Чернова Т.Ю. Целесообразность компенсации реактивной мощности // Сб. статей V магистерской научно-технической конференции; под ред. д-ра техн. наук, проф. Е.А. Ядыкина: в 2 ч. Ч. I. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 189291.

2. Гумилевский C.B., Чернова Т.Ю. Система компенсации реактивной мощности для асинхронных электроприводов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3.4.4. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 210-214.

3. Гумилевский C.B., Чернова Т.Ю. Учет явления гистерезиса // Сб. трудов Пятой Международной школы-семинара молодых ученых и специали-

стов «Энергосбережение-теория и практика», 18-22 октября 2010 г. Москва. М.: Издательский Дом МЭИ, 2010. С. 60-61.

4. Чернова Т.Ю., Фрозииов Н.А. Учет влияния реактивной мощности на напряжение при расчете мощности компенсирующего устройства // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. 4.5. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 72-74.

5. Гумилевский C.B., Чернова Т.Ю. Дистанционное управление и мониторинг профилей мощности и параметров качества электроэнергии // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. 4.5. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010 С. 75-76.

6. Чернова Т.Ю., Фрозинов Н.А. Эффективность использования управляемых шунтирующих реакторов // Сб. док. V молодёжной научно-практической конференции ТулГУ «Молодёжные инновацию); под ред. д-ра техн. наук, проф. Е.А. Ядыкина: в 2 ч. Ч. I. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 208209.

7. Чернова Т.Ю. Управляемые устройства компенсации реактивной мощности // Сб. статей VI магистерской научно-технической конференции; под ред. д-ра техн. наук, проф. Е.А. Ядыкина. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 186-187.

8. Степанов В.М., Чернова Т.Ю. Поперечная компенсация реактивной мощности при аргонодуговых термических процессах // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 6. 4.1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 270273.

9. Фрозинова Т.Ю. Задачи системы автоматическогорегулирования электротермических комплексов // Сб. док. VI молодёжной научно-практической конференции ТулГУ «Молодёжные инновации»; под ред. д-ра техн. наук, проф. Е.А. Ядыкина: в 2 ч. Ч. I. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 288289.

10. Фрозинова Т.Ю. Повышение эффективности функционирования устройств компенсации реактивной мощности // Сб статей VII магистерской научно-технической конференции; под ред. д-ра техн. наук, проф. Е.А. Ядыкина. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 194-195.

11. Гумилевский C.B., Степанов В.М., Фрозинова Т.Ю. Соотношение мгновенной мощности в трехфазной и прямоугольной системах координат // Вестник ИГЭУ. Вып. 1.2013. С. 96-98.

12. Патент 112532 РФ на полезную модель. МПК8 H02J 3/18. Система управления статическим тиристорным компенсатором / В.М. Степанов, А.В. Фомин, Т.Ю. Чернова. Опуб. 10.01.2012. Бюл. №1.

Изд. лиц. ЛР № 030300 от 12.02.97. Подписано в печать 22.05.13 Формат бумаги 60x84 "Л*. Бумага офсетная. Усл-неч. л. 1,1. Уч. изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 3?

Тульский государственный университет 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300012, г. Тула, просп. Ленина, 95

ФГБОУ ВПО «ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

04201359203

Фрозинова Татьяна Юрьевна ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

УСТРОЙСТВ ПОПЕРЕЧНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Степанов Владимир Михайлович

На правах рукописи

Тула 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА, МОДЕЛИРОВАНИЯ

И УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ УСТРОЙСТВ ПОПЕРЕЧНОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ..............................11

1.1 Условия функционирования и анализ конструктивных схем.............11

1.2 Физические процессы в устройствах поперечной компенсации реактивной мощности и методы их моделирования.........................16

1.3 Методы расчета параметров и надежности...................................18

1.4 Цель и задачи исследования.....................................................22

1.5 Выводы...............................................................................23

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ

ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ «ЭЛЕКТРОПИТАЮЩАЯ СИСТЕМА - ДУГОВАЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ - СТАТИЧЕСКИЙ ТИРИСТОРНЫЙ КОМПЕНСАТОР».............................................25

2.1 Общие положения..................................................................25

2.2 Математическая модель электропитающей системы......................25

2.3 Математическая модель системы «дуговая сталеплавильная печь — статический тиристорный компенсатор»......................................35

2.4 Определение влияния резкопеременной, нелинейной, несимметричной, циклической нагрузки, высокочастотных гармоник на квазистационарные переходные электромагнитные процессы.......52

2.5 Выводы..............................................................................55

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ, УСЛОВИЙ

ФОРМИРОВАНИЯ ЗАКОНА И СТРУКТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ «ЭЛЕКТРОПИТАЮЩАЯ СИСТЕМА - ДУГОВАЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ - СТАТИЧЕСКИЙ ТИРИСТОРНЫЙ КОМПЕНСАТОР».............................................56

3.1 Определение уровня надежности электротехнического комплекса......56

3.2 Исследование математической модели переходных процессов

в электротехническом комплексе для определения его рациональных параметров............................................................................63

3.3 Определение условий формирования закона и структуры управления..........................................................................77

3.4 Выводы..............................................................................89

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

«ЭЛЕКТРОПИТАЮЩАЯ СИСТЕМА - ДУГОВАЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ - СТАТИЧЕСКИЙ ТИРИСТОРНЫЙ КОМПЕНСАТОР».............................................90

4.1 Технические решения по электротехническому комплексу..............90

4.2 Планирование эксперимента, методика и аппаратура исследований...94

4.3 Экспериментальные исследования переходных процессов

в электротехническом комплексе..............................................102

4.4 Расчет показателей экономической эффективности.....................114

4.5 Выводы............................................................................119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................120

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................122

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В условиях растущего дефицита энергетических ресурсов, динамики опережающего роста тарифов на электроэнергию возрастает роль энергоэффективности в технологических процессах и развивающейся экономике страны. Оптимизация режимов электропотребления, повышение рентабельности производства и обеспечение конкурентоспособности выпускаемой продукции - стратегическая линия экономической эффективности внедрения энергосберегающих мероприятий.

Поэтому одним из путей снижения потерь электроэнергии, улучшения режимов электроэнергетических систем и систем электроснабжения, повышения качества электроэнергии является установка устройств компенсации реактивной мощности.

Недостаточный уровень качества электрической энергии вызван электропотребителями с резкопеременной, нелинейной, несимметричной и циклической нагрузкой, что характерно для дуговых сталеплавильных печей (ДСП), которые являются составляющей электротехнологий.

Для компенсации реактивной мощности ДСП применяют в основном быстродействующие компенсаторы с тиристорно-реакторной группой, главной функцией которых, кроме компенсации постоянной составляющей реактивной мощности и подавления высших гармоник с помощью силовых фильтров, является снижение до необходимого уровня колебаний амплитуд реактивного тока прямой последовательности.

Этим вопросам посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов: Веников В.А., Матур Р.М, Штейменц Ч.П., Железко Ю.С., Карташев И.И., Де-мирчан К.С., Тропин В.В. и др. В работах этих авторов успешно использованы различные методы для решения задач, связанных с обеспечением качества электроэнергии, потребляемой резкопеременной нагрузкой.

Однако неполный учет характеристик данных факторов в комплексе при расчете параметров электротехнических устройств поперечной компенсации ре-

активной мощности и недостаточно эффективное управление ими снижает надежность их функционирования до 30%.

Ухудшение качества электроэнергии приводит к снижению эффектности технологического и электромагнитного характера: увеличение потерь активной мощности и электроэнергии, сокращение срока службы электрооборудования, нарушение нормального хода технологических процессов потребителей.

Поэтому комплексный учет характеристик факторов, влияющих на формирование реактивной мощности и качество электрической энергии для определения рациональных параметров электротехнических устройств поперечной компенсации в электротехнологиях, закона и структуры системы управления ими для повышения эффективности их функционирования, является актуальной научной задачей.

Цель работы - повышение надежности функционирования устройств поперечной компенсации реактивной мощности в электротехнических системах электротехнологий путем обоснования их рациональных параметров, закона и структуры управления переходными процессами, комплексно учитывающих резкопе-ременную, несимметричную и циклическую нагрузку, высокочастотные гармоники, ток обратной последовательности и квазистационарные электромагнитные процессы при формировании реактивной мощности.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи исследования:

1 Анализ методов расчета, моделирования и условий эксплуатации устройств поперечной компенсации реактивной мощности.

2 Разработка математической модели системы «электропитающая система -дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор», учитывающей в комплексе резкопеременную, нелинейную, несимметричную и циклическую нагрузку, высокочастотные гармоники, ток обратной последовательности и квазистационарные переходные электромагнитные процессы, и установление закономерностей формирования управляющего воздействия устройствами попе-

речной компенсации реактивной мощности в электротехнических системах электротехнологий.

3 Исследование математической модели для расчета рациональных параметров системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор», структуры и топологии управления устройствами поперечной компенсации реактивной мощности.

4 Определение уровня надежности и условий реализуемости конструкционной и функциональной надежности системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор».

5 Разработка методики определения рациональных параметров по критерию надежности системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь -статический тиристорный компенсатор».

6 Численное и экспериментальное исследование режимов работы системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор».

7 Определение экономических показателей эффективности системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор».

Идея работы заключается в достижении требуемого уровня надежности функционирования устройств поперечной компенсации на основе эффективного закона и структуры управления переходными процессами в электротехнических системах и условий реализуемости их рациональных параметров.

Объект исследования - электротехнический комплекс «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор».

Предмет исследования - электромагнитные и электромеханические процессы, протекающие в электротехническом комплексе «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор».

Методы исследования, используемые в работе, основаны на совокупности применения теории электрических цепей, автоматического управления, теории

надежности технических систем, теории вероятностей и математической статистики, эксперимента с широким применением ЭВМ.

Автор зашишает:

1 Математическую модель системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор», учитывающую в комплексе резкопеременную, нелинейную, несимметричную и циклическую нагрузку, высокочастотные гармоники, ток обратной последовательности и квазистационарные переходные электромагнитные процессы, и зависимости для определения ее рациональных параметров, на основе исследования математической модели системы.

2 Закономерности формирования управляющего воздействия устройствами поперечной компенсации реактивной мощности в электротехнических системах электротехнологий, комплексно учитывающие характеристики переходных процессов в системе «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь -статический тиристорный компенсатор».

3 Условия реализуемости математической модели системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор» и технические решения рациональной структуры топологии управления устройствами поперечной компенсации реактивной мощности.

Научная новизна заключается в определении рациональных параметров системы «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор», закономерностей формирования закона и структуры управления устройствами поперечной компенсации путем учета в комплексе характеристик факторов, влияющих на формирование реактивной мощности и качество электрической энергии для повышения эффективности функционирования электротехнических систем электротехнологий.

Она представлена следующими результатами:

определены зависимости для расчета рациональных параметров электротехнического комплекса «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь — статический тиристорный компенсатор», учитывающие в комплексе

резкопеременную, нелинейную, несимметричную и циклическую нагрузку, высокочастотные гармоники, ток обратной последовательности и квазистационарные переходные электромагнитные процессы на основе исследования его математической модели;

установлены закон и условия формирования рациональной структуры системы управления электротехническими устройствами компенсации реактивной мощности, обеспечивающие повышение эффективности их функционирования в электротехническом комплексе электртехнологий;

установлены закономерности формирования флуктуаций напряжения в точке подключения электротехнологий (ДСП), комплексно учитывающие характеристики факторов влияющих на питающую сеть;

разработан алгоритм функционирования системы управления устройством поперечной компенсации (СТК) электротехнических устройств электротехнологий (ДСП);

установлены зависимости, учитывающие электромагнитные переходные процессы при компенсации реактивной мощности для оценки качества работы СТК в составе электротехнического комплекса «электропитающая система -дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор».

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечены физически обоснованными допущениями, адекватностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми составляет 10,5%.

Практическая значение. Разработаны методика расчета рациональных параметров и алгоритм управления устройством поперечной компенсации (СТК) электротехнических систем электротехнологий (ДСП), комплексно учитывающие резкопеременную, нелинейную, несимметричную и циклическую нагрузку, высокочастотные гармоники, ток обратной последовательности и квазистационарные переходные электромагнитные процессы и методика расчета рациональных параметров электротехнического комплекса «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор».

Реализация результатов работы.

1 Результаты работы используются в ЗАО «Нидек АСИ ВЭИ» при разработке быстродействующих устройств компенсации реактивной мощности для резкопеременной, циклической и других видов нагрузки. Технико-экономический эффект от внедрения результатов работы составляет около 8 млн. руб. в год.

2 Разработанная математическая модель электротехнического комплекса «электропитающая система - дуговая сталеплавильная печь - статический тири-сторный компенсатор» используется при исследовании влияния переходных процессов на выбранное силовое оборудования СТК для ДСП в ЗАО «Нидек АСИ ВЭИ».

3 Основные научно-практические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в курсах: «Электромагнитная совместимость в электроэнергетике», «Основы проектирования электроэнергетических систем», «Электроснабжение промышленных предприятий», читаемых на кафедре «Электроэнергетика» Тульского государственного университета.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных магистерских научно-технических конференциях ТулГУ (г. Тула, 2009 - 2013 гг.), V и VI молодёжной научно-практической конференции ТулГУ МОЛОДЁЖНЫЕ ИННОВАЦИИ (г. Тула, 2011 г.), Пятой международной Школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение-теория и практика» (г. Москва, 2010 г.), VI Международной конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2010» (г. Тула, 2010 г.), Международной научно-технической конференции «Энергосбережение-2011» (г. Тула, 2011 г.), 7-ой и 8-ой Международной конференции «Силовая электроника и энергетика» (г. Москва, 2010-2011 г.), VII Международной конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2012» (г. Иваново, 2012 г.).

Публикации. Основные научные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, из них 5 - в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент на полезную модель № 112532.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 110 наименований. Диссертация изложена на 134 страницах машинописного текста, включая 4 таблицы, 34 рисунка.

Автор выражает благодарность научному руководителю - доктору технических наук, профессору Степанову Владимиру Михайловичу и техническому руководителю проектов ЗАО «Нидек АСИ ВЭИ», кандидату технических наук Фомину Андрею Васильевичу за научные консультации и помощь при работе над диссертацией.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА, МОДЕЛИРОВАНИЯ И УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ УСТРОЙСТВ ПОПЕРЕЧНОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

1.1 Условия функционирования и анализ конструктивных схем

Статические тиристорные компенсаторы нашли широкое применение в электроэнергетике как у нас в стране, так и за рубежом.

Помимо своего основного назначения - регулирования уровня напряжения и компенсации реактивной мощности (РМ) СТК иногда используются и для других целей [56]:

ограничение перенапряжений;

выравнивание токов в фазах (симметрирование нагрузки); повышение пропускной способности электропередачи; регулирование перетоков мощности с целью минимизации потерь в

сети;

повышение динамической устойчивости;

применение на преобразовательных подстанциях передач вставок постоянного тока.

Расширенное применение СТК обусловлено существенными преимуществами, которыми они обладают по сравнению с другими источниками реактивной мощности, например, синхронными компенсаторами (СК). К этим преимуществам, можно отнести следующее:

достаточно высокое быстродействие; высокая надежность оборудования;

• по зарубежным данным, примерно вдвое меньшая стоимость единицы установленной мощности по сравнению с СК;

возможность построения по модульному пр�