автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка динамических моделей дуговых сталеплавильных печей и их электромагнитной совместимости с системой электроснабжения по несинусоидальности напряжения

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Особенности технологического процесса плавки стали и характеристик нагрузки дуговых сталеплавильных печей.

1.2. Анализ методов определения и нормирования несинусоидальности кривой напряжения.

1.3. Анализ методов экспериментальных исследований коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и значений отдельных гармоник в питающей системе электроснабжения.

1.4. Задачи исследования.

ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК ДУГОВЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ.

2.1. Схемы электроснабжения дуговых электропечей.

2.2. Определение коэффициента потерь мощности в системе электроснабжения при питании дуговой сталеплавильной печи через двухобмоточный трансформатор.

2.3. Определение коэффициента потерь мощности в системе электроснабжения при питании дуговой сталеплавильной печи через трехобмоточный трансформатор.

2.4. Определение коэффициента потерь мощности в системе электроснабжения при питании дуговой сталеплавильной печи через силовой трансформатор с расщепленными обмотками.

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ

АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ.

3.1. Дуговая сталеплавильная печь как объект автоматического регулирования.

3.2. Построение структурной схемы системы автоматического регулирования дуговой сталеплавильной печи.

3.3. Определение частотной характеристики автоматического регулятора мощности дуговой сталеплавильной печи.

3.4. Определение частотной характеристики электрической дуги ДСП с учетом параметров питающей сети.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСШИХ ГАМОНИК ТОКА И

НАПРЯЖЕНИЯ, СОЗДАВАЕМЫХ ДСП, В ХАРАКТЕРНЫХ ТОЧКАХ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.

4.1. Высшие гармоники тока и напряжения, генерируемые нелинейной дугой ДСП.

4.2. Определение высших гармоник тока и напряжения в точке подключения дуговой сталеплавильной печи к питающей системе электроснабжения.

4.3. Влияние силового оборудования на изменение высших гармоник напряжения в питающей системе электроснабжения.

4.4. Определение высших гармоник напряжения и коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в характерных точках питающей системы электроснабжения.

4.5. Выводы.

ГЛАВА 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТИ ДОПУСТИМЫХ

РЕЖИМОВ РАБОТЫ ДСП В УСЛОВИЯХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ПО ВЫСШИМ ГАРМОНИКАМ НАПРЯЖЕНИЯ.

5.1. Нормирование допустимых уровней гармоник в точках общего присоединения к электрическим сетям.

5.2. Нормирование высших гармоник напряжения на шинах питания дуговых сталеплавильных печей.

5.3. Выводы.

В современном производстве широкое применение получили энергоемкие электротехнологические установки, наиболее мощными из которых являются дуговые сталеплавильные печи (ДСП). Причем доля мирового производства стали в ДСП непрерывно возрастает и в настоящее время превышает 25% общего производства стали.

Увеличение производства стали в ДСП определяется рядом причин, в том числе тем, что в ДСП могут выплавляться любые марки стали, включая и высококачественные, специальные, а процесс ведения плавки поддается в высокой степени регулированию, автоматизации, программированию и т.д. Одновременно возрастают емкости электропечей и мощности печных трансформаторов. Например, мощность печного трансформатора отечественной базовой дуговой электропечи емкостью 100 тонн за двадцать лет увеличилась с 25 МВА до 80 MB А.

С ростом мощностей ДСП и интенсификацией процесса плавки повышаются требования к качеству управления режимом работы ДСП, особенно в период расплавления металла, характеризующегося максимальным потреблением электроэнергии и искажениями в питающей системе электроснабжения (СЭС) в виде отклонений, колебаний, несимметрии и несинусоидальности напряжений.

Поэтому важное значение приобретает вопрос разработки методов определения допустимых показателей качества напряжения, в частности, искажения синусоидальности кривой напряжения, создаваемых резкопеременной и нелинейной нагрузкой ДСП на собственных шинах питания и в системе электроснабжения в целом, что позволит полнее и глубже решать проблемы рационального построения систем электроснабжения промышленных предприятий, эксплуатирующих ДСП, с целью обеспечения электромагнитной 7 совместимости нагрузки ДСП с питающей сетью и снижения затрат на обеспечение качества электроэнергии, а также вклада гармонических составляющих нелинейной нагрузки ДСП в частотные характеристики системы электроснабжения.

Постановке, решению и анализу этих задач посвящена настоящая диссертационная работа.

Работа выполнялась по плану НИР ТолПИ, тема "Развитие теории энергосбережения электротехнических процессов", г/б №03540.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ обусловлена с одной стороны возрастающей ролью электросталеплавления, а, следовательно, и необходимостью разработки методов расчета электрических режимов работы ДСП с учетом переменного характера питающей СЭС, позволяющих повысить точность определения основных электрических и рабочих параметров ДСП, а с другой стороны - необходимостью поддержания показателей качества электрической энергии, обусловленных нагрузкой ДСП, на уровне, регламентируемом ГОСТ 13109-97 на качество электрической энергии в системах электроснабжения [1].

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Предложен новый методический подход к анализу взаимодействия питающей системы электроснабжения и режимов нагрузки ДСП.

В рамках этого подхода предложены значения для коэффициента потерь мощности в СЭС, а также аналитические выражения для его определения, позволяющие достаточно точно для практических расчетов определять характеристики нагрузки для любых, включая и рациональные, режимов работы печи с учетом параметров питающей системы электроснабжения.

Получены аналитические выражения для определения частотных характеристик системы автоматического регулирования ДСП. Показано, что электрическая дуга является высокочастотным звеном в системе 8 электроснабжения ДСП. В первые показана связь ее частотной характеристики как с параметрами печного контура, так и с параметрами питающей сети.

Получены аналитические связи между параметрами нагрузки ДСП, питающей системой электроснабжения и высшими гармониками тока и напряжения, генерируемыми ДСП.

Разработан обобщенный метод нормирования коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения на собственных шинах питания ДСП с учетом обеспечения электромагнитной совместимости с питающей системой электроснабжения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Получены значения и аналитические выражения для определения коэффициента потерь мощности, позволяющие повысить точность расчета электрических и рабочих характеристик ДСП.

Разработан инженерный метод, позволяющий по известным или заданным параметрам питающей системы электроснабжения и печного контура дуговой электропечи определять с высокой точностью уровень высших гармоник, генерируемых ДСП, как в точках общего присоединения к электрическим сетям, так и на границе балансовой принадлежности.

Разработана программа по предложенному алгоритму, позволяющая автоматизировать расчет коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в любой точке питающей сети.

Предложенная методика нормирования коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения позволяет определить область допустимых режимов работы ДСП, которая ограничивается предельными значениями параметров питающей системы электроснабжения, допустимыми отклонениями и колебаниями напряжения на шинах питания ДСП и допустимыми значениями коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, а также выбрать наиболее рациональную схему электроснабжения дуговой электропечи. 9

ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. При решении поставленных в диссертации задач использовались методы математического моделирования систем электроснабжения ДСП и их режимов работы, базирующихся на основных законах электротехники, теории автоматического регулирования. Обоснованность и достоверность научных положений, теоретических выводов, основных результатов и рекомендаций диссертации подтверждены их экспериментальной проверкой в реальных системах электроснабжения ДСП действующих предприятий.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Проведены исследования и выданы рекомендации по выбору параметров питающей системы электроснабжения на шинах питания ДСП-40 Волжского автомобильного завода с целью обеспечения допустимых отклонений и колебаний напряжения, допустимых значений коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения с учетом требований ГОСТ 13109-97 в точках общего присоединения дуговых электропечей к питающей сети, что позволило получить годовой экономический эффект в размере 170 тыс. рублей.

Алгоритм и программа для определения значений коэффициента искажений синусоидальности кривой напряжения в любой точке питающей системы электроснабжения передана в энергетическое производство Волжского автомобильного завода.

Основные результаты работы используются в учебном процессе при чтении курсов лекций "Электротехнологические установки", "Электроснабжение промышленных предприятий", "Электромагнитная совместимость", "Преобразовательные установки".

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI научно-технической конференции "Технико-экономические проблемы оптимизации режимов электропотребления промышленных предприятий" (г. о

Челябинск, 1991 г.), XII сессии Всесоюзного научного семинара "Кибернетика электрических систем" (г. Гомель, 1991 г.), научно-технической и методической конференции "Энергоснабжение, электропотребление, электрооборудование" (г. Новомосковск, 1994 г.), на XXI сессии Всероссийского семинара "Кибернетика электрических систем" (г. Новочеркасск, 1999 г.), научно-практических конференциях по итогам научно-исследовательских работ Тольяттинского политехнического института (г. Тольятти, 1996. 1999 гг.), научных семинарах кафедры ЭПП и электротехнического факультета Тольяттинского политехнического института. По результатам исследований выполнено два научно-технических отчета, зарегистрированных во ВНИТИЦ г. Москва.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам работы опубликовано \Z печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 108 наименований, и приложения; содержит 127 стр. основного текста, 49 стр. иллюстраций и 25 стр. таблиц, 9 стр. приложений.

5.3 Выводы

1. Показано, что нормирование искажения синусоидальности кривой напряжения для дуговых электропечей целесообразно осуществлять по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в точках общего присоединения к электрической сети.

2. Обоснована целесообразность нормирования коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения на шинах питания ДСП, что позволяет сократить число контрольных точек в системе электроснабжения, а также совместить функции контроля и управления качеством напряжения.

3. Обоснована целесообразность применения для питания дуговых электропечей трансформаторов с расщепленными обмотками, которые приводят к увеличению коэффициента ослабления высших гармоник напряжения в 1,75.2 раза по сравнению с трехобмоточными трансформаторами той же мощности.

4. Разработаны комплексные условия электромагнитной совместимости ДСП с системой электроснабжения, сочетающие с одной стороны требования к параметрам питающей ДСП сети в виде допустимых отклонений напряжений,

85 допустимых значений коэффициента синусоидальности кривой напряжения и допустимых колебаний напряжения, максимальных и минимальных значений мощности к.з. на шинах питания с учетом допустимой нагрузки ДСП, а с другой стороны требованиями ГОСТ 13109-97 к предельному значению коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в общих точках присоединения дуговой электропечи к питающей сети.

5. Совместный анализ нормирования по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения и колебаниям напряжения показал, что доминирующим фактором при анализе электромагнитной совместимости ДСП с питающей сетью являются колебания напряжения.

86