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

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах, рукописи

РГБ ОД

Вахшнт Вера Васильевна

' э як ж

РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДУГ ОВЫХ СТАЛЕПЛАВ11ЛЬНЬ1Х ПЕЧЕЙ И ИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ С СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПО НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 "Электротехнические комплексы и системы,

включая их управление и регулирование"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических пзук

Нижний Новгород, 2.000

Работа выполнена в Тольятгинском полш-ехннческом институте на кафедре «Эл ехтр осла бжи ш е промышленных предприятий»

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Салтыков В.М.

Официальные оппонента - доктор технических наук, профессор

Лоскутов А.Б.

кандидат технических наук, доцент Гардин А.И.

Ведущая организация - Самарский филиал «Электропроект»

ОАО «Эдекгропроект»

Защита состоится « » 1Л4СН$_ 2000 г. в // часов,в аудитории К» 125%на заседании диссертационного совета Д 063.85.10 в Нижегородском государствешюм техническом университете (603600, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина 24).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке технического университета.

Автореферат разослан « » иШЖ. 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

кз2гть~51-01>0

Соколов В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуаимость проб:гглш. В современном производстве широкое применение получили энергоемкие электротехнологэтеские установки, наиболее мощными из которых яшшотся 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, программирование 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 SO MBA.

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 резкоперемеиной 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 совместимости (ЭМС) нагрузки ДСП с питающей сетью и снижения затрат па 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 электросбережения электротехнологических процессов», г/б № 03540.

Цель работы. Целью работы является разработка динамических моделей дуговых сталеплавильных печей по гармоническим составляющим тока и напряжения и их влиянию ira систему электроснабжения. В соответствии с указанной целью поставлены следующие задачи исследования:

1.Разработать метод расчета и степень участия параметров системы электроснабжения, особенно типа трансформаторов ГПП (двухобмоточных,

трехоомоточных, с расщепленными обмотками), для определения электрических и рабочих характеристик ДСП.

2 Разработать динамическую модель системы автоматического регулирования ДСП.

3 .Исследовать характер изменения уровней высших гармоник гока и напряжения, создаваемых переменной нелинейной нагрузкой ДСП, на шинах их питания и в системе электроснабжения.

4 .Разработать методы оценки электромагнитной совместимости ДСП с питающей системой электроснабжения на собственных шинах питания с учетом требований к допустимому значению коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и с точках общего присоединения, удаленных по питающей системе электроснабжения от шин дуговых электропечей.

Методы исследования. 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 к рекомендаций диссертация подтверждены и\ экспериментальной проверкой в реальных системах электроснабжения ДСП действующих предприятий

Основные положения, выносимые на защиту.

1.Метод расчета коэффициента потерь мощности и выявление его возможных значений для определения электрических и рабочих характеристик ДСП в существующих схемах электроснабжения, а также показателей качества электрической энергии.

2.Метод определения частотной характеристики системы автоматического регулирования дуговой электропечи, устанавливающего взаимосвязь между параметрами печного контура и переменными параметрами питающей сети.

3.Методику и алгоритм расчета высших гармоник тока и напряжения электрического дугового разряда ДСП с учетом переменных параметров питающей системы электроснабжения.

4.Математическую модель схемы питания ДСП при прохождении через нее высших гармоник тока и напряжения, генерируемых нелинейной нагрузкой электропечи.

5.Условия электромагнитной совместимости ДСП с питающей системой электроснабжения, сочетающие с одной стороны требования к параметрам питающей сети в виде допустимых отклонений и колебаний напряжения и коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, максимальных и минимальных значений мощности короткого замыкания на шинах питания с учетом допустимой нагрузки ДСП, а с другой стороны требования ГОСТ

13109-97 к коэффициенту искажитя синусоидальности кривой напряжения в точках общего присоединения.

Научная новизна. Предложены значения для коэффициента потерь мощности в системе электроснабжения, а также аналитические выражения для его определения, позволяющие достаточно точно для практических расчетов определять характеристики нагрузки для любых режимов работы печи с учетом параметров питающей системы электроснабжения.

Получены аналитические выражитя для определения частотных характеристик сист ем и автоматического регулирования ДСП. Показано, что злекчрическся дуга является высокочастотным ззеном в системе электроснабжения ДСП. В первые показана связь ее частотной характеристики как с параметрами печного контура, так я с параметрами питающей сети.

Получены аяали-ппеские 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 элекгромапштной совместимости с питающей системой электроснабжения.

Практическая ценность работы. Получены значения и аналитсгческие выражения для определения коэффициента потерь мощности, позволяющие повысить точность расчета электрических и рабочих характеристик ДСП, а также показателей качества электрнчесхой энергии, в частности, коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения.

Разработан инженерный метод, позволяющий по известным или заданным параметрам питающей системы электроснабжения и печного контура дуговой электропечи определять с высокой точностью уровень высших гармоник, создаваемых нелинейной нагрузкой 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 допуспшых режимов работы ДСП, а также выбрать наиболее рациональную схему электроснабжения дугозоя электропечи.

Реализация результатов работы. Проведены исследования и выданы рексметщашга по снижению величии и ежегодного экономического ущерба, обусловленного несинусондальностью кривой напряжения на шинах 10 кВ ГПГТ-3 Волжского азтомобильксто завода, за счет оптимального режима ведения плавки и выбора параметров питающей сети на шинах питания ДСП-40. Алгоритм и ираранма для определение значешш коэффициента искажений

синусоидальности кривой напряжения в любой точке гопгющсй системы электроснабжения переданы в энергетическое производство Волжского автомобильного завода.

Основные результаты работы используются б учебном процессе при чтении лекций и выполнении курсовых и дипломных проектов по специалыюсга 1004 «Электроснабжение промышленных предприятий» в Тольяттинском политехническом институте.

Апробагтя работы. Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI научно-технической конференции "Технико-экономические проблемы оптимизаций режимов злектропотребления промышленных предприятий" (г. Челябинск, 1991 г.), ХП сессии Всесоюзного научного семинара "Кибернетика элеэтрических систем" (г. Гомель, 1991 г.), научно-технической и методической конференции "Энергоснабжение, электропотребле1ше, электрооборудование"

(г.Новолюсковск, 1994 г.), на XXI сессии Всероссийского семинара "Кибернетика электрических систем" (г.Новочеркасск, 1999 г.), научно-практических конференциях по итогам научно-исследовательских работ Тольягошского политехнического института (г.Тольятти, 1996... 1999 гг.), научных семинарах кафедры ЭПП и электротехнического факультета Тольягшнского политехнического института. По результатам исследований выполнено два научно-технических отчета, зарегистрированных во ВНИТИЦ г.Москва.

Публикации. По результатам работы опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем диссертации. 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи и основные направления исследований, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В__пе^£ой_гм!ве дается аналитический обзор существующего состояния проблем исследований по выявлению п определению помех, возникающих в системе элгктроснабжеигш при работе ДСП.

Анализ современного состояния проблемы показал, что с увеличением единичных мощностей и количества дуговых сталеплавильных печей происходит дальнейшее обострение их электромагнитной совместимости с питающей сетью - приходиться считаться с ДСП как с источниками искажения ытуссидзяыюстм кривой напряжения. Повышаются тзх>,;е требования к

точности расчета электрических и рабочих характеристик ДСП, которые существенно зависят от переменных параметров питающей сети.

Проведет:;.; й анализ, в основу которого положены научные работы И.В. Жежеленко, Г.Я, Вагина, Л.Б.Лоскугова, В.В. Черепанова, Р.В. Минеева, М.Я. Смелянского, Ю.М. Миронов?., привел к выводу, что для существующих методов расчета высших гармоник тока и напряжения, создаваемых нелинейной нагрузкой ДСП, характерны большие погрешности, так как они ориентируются только на учет номинальных параметров печной нагрузки и гнгпающей сети, хотя довольно часто действительные режимы ДСП и системы электроснабжения не соогаетстсуют принятым условиям.

Показана целесообразность детального анализа и углубленного исследования проблемы нормирования коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения не только в точках общего подключения, но и па собственных шинах питания ДСП.

Из анализа работ по рассматриваемой проблематике били определены цель диссертационной работа, сформулированы основные нерешенные задачи и обоснованы наиболее целесообразные пути их решения с использованием современных методических подходов и элементной базы.

Во второй гиаве выполнен анализ наиболее распространенных вариантов электроснабжения ДСП та современных м еталлурпг г ескнх и машкпостронтельных предприятиях исходя из особенностей режимов работы дуговых электропечей: схем питания "глубокий ввод", через трансформатор с расщепленными обмотками, через трехобмоточный трансформатор.

Показана целесообразность комплексного решения проблемы определения электрических и рабочих характеристик ДСП с учетом изменяющихся параметров питающей системы электроснабжения. Параметром, отражающим изменение потерь мощности в питающей сети при переменной нагрузке ДСП, является коэффициент потерь мощности Ь, который в общем случае переменная величина и определяется выражением:

6 = 1 + + (1)

где До, и Ь' = Уд. - соответственно отдельные переменные и суммарная составляющие коэффициента потерь мощности от протекания активной и реактивной нагрузки ДСП и спокойной общепромышленной нагрузки во всех элементах питающей системы электроснабжения (кабеле связи 6. ..35 кВ, силовом трансформаторе ГПП, питающей высоковольтной линии 1 ¡0...220 кВ); выражаются в относительных единицах к величине реактивной нагрузки дуговой электропечи.

Установлено, что наибольшее влияние на величину коэффициента потерь мощности оказывают погери в силовом трансформаторе ГПП, а в случае питания от параллельной обмотки трансформатора общепромышленной

нагрузки - коэффициент загрузи! параллельной.обмотки. Зарядная мощность высоковольтной липнл, а также ее длина не оказывают значительного влияния на величину коэффициента потерь мощности Ь.

Однако, несмотря на то, что коэффициент Ь ¡пишется переменной , величиной, доказано, что при питшши ДСП через двухобмоточкые трансформаторы с напряжении обмотки высокого напряжения (ВН) 110 кВ для практических расчетов в области рабочих токов независимо от типа к мощности дуговой' электропечи коэффициент потерь мощности можно принять постоянным и равным 1.2, и при питании ДСП через двухобмоточные трансформаторы с напряжением обмотки ВН 220 кВ - постоянным и равным 1.1. Погрешность определен?« электрических и рабочих характеристик ДСП при этом не превышает 5%, что приемлемо для электротехнических расчетов.

При питании ДСП через трансформаторы с расщепленными обмотками с напряжением обмоток ВН ПО и 220 кВ коэффициент потерь Ь независимо от типа и мощности ДСП в области рабочих токов я при коэффициентах загрузки параллельной обмотки трансформатора с общепромышленной нагрузкой К3 =: 0...0,? можно принять постоянным я равным 1,2. Погрешность расчетов электрических и рабочих характеристик ДСП не превышает 5%.

При использовании трехобыоточных трансформаторов для питания ДСП коэффициент потерь мощности целесообразно представить не в виде постоянной величины, а б виде линейной зависимости от коэффициента загрузки параллельной обмотки трансформатора с общепромышленной нагрузкой:

при питании ДСП от обмотан среднего напряжения (СН) при напряжении обмотки ВН110 кВ

¿-1.2 +Л, -К3 (2)

и при питании ДСП от обмотай низкого напряжения (НН)

6 = 1.4 + Д -К3, (3)

где А,- - коэффициент пропорциональности, определяемый емкостью и мощностью дуговой электропечи и мощностью силового трехобмоточного трансформатора ГПП;

Ку - коэффициент загрузки силового трансформатора.

Полученные значения и выражения коэффициента потерь мощности о в системе электроснабжения, обусловленные нагрузкой ДСП, позволяют усовершенствовать методику определения электрических и рабочих характеристик ДСП н повысить точность расчета электрических режимов ДСП, а также показателей качества электрической энергии, в частности, коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения.

В третьей главе разработана динамическая модель системы автоматического регулирования (САР) ДСП. В качестве объекта регулирования электрического режима выступает дуговая электропечь, которая ялляегся нелняеГшьш звеном с переменными параметрами и случайными возмущениями. Автоматический регулятор мощности обеспечивает поддержание с максимально возможной точностью заданного значения вводимой б печь активной мощности.

В соответстатг с разработанной функциональной моделью объекта регулирования построена структурная схема САР ДСП, которая представляет собой систему стабилизации с двумя отрицательными связями по напряжению и току и с переменным коэффициентам усилепия объекта регулирования (ДСП), & различных точка?; которой приложены случайные возмущения, связанные с изменением длины дуги и тока дуги печи, а также с изменением параметров в процессе плавки.

Доказано, что допустимо упрощение структурной схемы САР ДСП, в результате чего она может быть представлена в виде разомкнутой системы: передаточными функциями автоматического регулятора мощности 1У^р) и печного контура ДСП с электрической дугой ЪУси(р). Передаточная функция системы автоматического регулирования ДСП б этом случае определяется выражением

(4)

В работе показано, что автоматический регулятор мощности является низкочастотным звеном в системе электроснабжения ДСП, что приводит к искажению кривой напряжения и тока в диапазоне частот О,В...6 Гц.

В то же время было получено, что постоянные времени печных контуров ДСП во всем диапазоне изменения тока дуги значительно меньше постоянных времени регулятора Тц « Тр. Поэтому изменения огибающей тока дуги в основном определяются параметрами регулятора, а параметры печного контура приводят не к изменению огибающей тока, а к искажению формы дуги -появлению высших гармоник тока и напряжения. Осиошшм источником высокочастотных искажений выступает электрическая дуга ДСП.

Используя общепринятые допущения для анализа процессов в электрической цепи трехфазной дуги ДСП и принимая в качестве входного параметра длину дуги, а выходного - ток дуги, получены выражения для определения частотной характеристики электрической дуги печи

ш и\~р /гч

где Д+

I), (а>) = кпт (/;,_- + кл '^¡и- со2'!'} ;

Ь - коэффициенг потерь мощности, создаваемых нагрузкой ДСП;

определяется по формуле (1) в главе 2; К\ - коэффициент усиления регулируемого объекта (ДСП) но току; 'Онсх - исходное напряженке на шинах питания ДСП; а - сумма иадешгё напряжения у анода и катода электрода; р- градиент потенциала ь столбе дуги; Кпт - коэффициент трансформация печного трансформатора; Тх - постоянная времени печного контура; Ь}: - индуктивность печного контура; ¿с - индуктивность сета до точки подключения ДСП; Як и Ид - активные сопротивления печного контура к дуги. Выражение (5) устанавливает взаимосвязь между частотной характеристикой дуга, параметрами печного контура ДСП и переменными параметрами питающей сети и позволяет оценить воздействие высокочастотного звена - электрической дуги ДСП на систему электроснабжения.

В четвертой главе разработан метод расчета высших гармоник тока и напряжения, создаваемых нелинейной нагрузкой ДСП, как в точке подключения ДСП к питающей сети, так и в интересующих точках системы электроснабжения.

При использовании выражения для частотной характеристики дуги и связи тока дуги с переменными параметрами питающей сети, описаны значения я-ой гармоники тока дуги

где п = й)/в)с ;

Д>(я), В/п), Дг(я) - полиномы, полностью определяемые параметрами печного контура и питающей системы электроснабжения:

, ч па>11;к +П1 + ЯГЯ (»)- гАп ¿ГТ

В3(п) = 2-Лык1сп2о>2с

'с-

С учетом иыражения (б) напряжение «-it гармоники дуги определяете-;

(7)

Для анализа уровня высших гармоник тока и напряжения, генерируемых электрической дугой ДСП, коэффициенты п-к гармонических составляющих тока к напряжения дуги на стороне ПН электропечного трансформатора (ЗПТ) представлены в виде линейчатых спектров. Выполненные расчеты показали, что характер изменения высших гарконнк тока и напряжения дуги в большей степени определяется электротехнолошческими режимами ведения плавки. Изменение параметров питающей системы также оказывает влияние на уровень высших гармонических, генерируемых ДСП в сеть: уменьшается уровень высших гармоник тока и напряжения дуга при повышении мощности к.з. и исходного напряжения на шинах шггашя ДСП.

Для определения характера изменения высших гармоник тока и напряжения дуги при прохождении их через элементы электропечной установки: короткую сеть, эдектропечной агрегат, - все элементы электрического печного контура рассмотрены в виде схемы замещения для высших гармошек. В результате проведенных исследований показано, что элементы схемы замещения могут быть приняты линейными, и задача определения значений высших гармоник напряжения в точке подключения ДСП к питающей сета сводится, в принципе, к определению коэффициента передачи для высших гармоник схемы питания ДСП Vfn

W;J = „ - (8)

ЛТ^П Xс

или коэффицие;гга ослабления уп, который обратно пропорционален коэффициенту передачи lVn,

где Ас - индуктивное сопротивление сети до точки подключения ДСП;

Хп - индуктивное сопротивление схемы питания ДСП, определяется суммированием индуктивных сопротивлений короткой сети и электропечиого aqicrara;

К ¡¡г- коэффициент трансформации электропечного трансформатора.

На основании выполненных расчетов показано, что уменьшение рабочего тока дуговой электропечи, а также повышение мощности к.з. и снижение исходного напряжена? на шинах питания ДСП, приводят к увеличение коэффициента ослабления для высших гармоник схемы питания ДСП.

Характер изменения линейчатых спектров гармоник напряжения на шинах 6...35 кВ печного трансформатора для ДСП-6 с ЭПТ 4,2 МВА (¡7//=6 кВ); ДСП-40 с ЭПТ 15 MBA (UH~ 10 кВ), ДСП-40 с ЭПТ 32 MBA (Ujf-35 кВ) и ДСП-100 с ЭПТ 63 МВА (%=35 кВ) приведен на рис.1.

2 i f

7 -!

I

о -

Ku=3.86%

а)

i j_i

-I-I--r

0 1 2 3 ¿> 5 6 7 в 9 10 11 12 13 r,

-> i

4 -j J -!

2 -

1 -

0 f-

!

Ku*7J51

S)

_l—

Ku(n!,% 5

4 i

2 1 1 0

0 1 2 3 i 5 6 7 8 9 10 11 12 13 n 100%

Ku=9.27%

61

0 1 2 3 A 5 6 7 8 9 10 11 12 13 n

3 2 \ 1 0

. 100%

Ku=5.37%

2}

О 1 2 3 4- 5 6 7 8 S 10 11 12 13 n

Рис.!. Линейчатые спектры высших гармоник напряжения на стороне 6...35 кВ печного трансформатора, а) для ДСП-6 с ЭПТ 4,2 МВА; б) для ДСП-40 с ЭПТ 15 МВА; в) для ДСП-40 с ЭПТ 32 МВА; г) для ДСП-100 с ЭПТ 63 МВА

Получено, что характер изменения высших гармоник напряжения на сторона ВН печного трансформатора остался прежним, что подтверждается линейным характером элементов СЭС при прохождении по ним гармоник тока и изменении гармоник напряжения.

Разработай метод определения высших гармоник напряжения и коэффкциегттон искажений синусоидальности кривой напряжения в характерных точках питающей системы электроснабжения при питании ДСП через двухобмоточный трансформатор, через сдвоенный реактор, через трансформатор с . расщепленными обмотками и через трехобмоточный трансформатор. Получено, что амплитудное значение и-сй гармоники напряжения на шинах зиергс-системы С/ц*) при известном значении гармошки на шипах шггаши ДСП Цгег/о») мо>хст быть определено из выражения

тт

г Г - Г г тг/ и ДСП (п)

ис(.) ~илсл(»1' К.АЯСП-С) ~ ~---• К')

УкуЦхп-с)

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения на шинах энергосистемы Кщ^ при известном значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения на шинах питания ДСП Кищаъ

V

К -Г .IV - лУ{£ОТ)

и[с) - ^и(лсл)- ^„(даг-с) - - »

/к^дсп-с)

где Уки{^1~с) • коэффициент передачи и коэффициент

ослабления для коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения на шшгы энергосистемы.

Показано, что выражения для коэффициентов передачи и коэффициентов ослабления для коэффициента искажения синусоидальности кршшн напряжения аналогичны выражениям для коэффициентов передачи и коэффициентов ослабления дня колебаний напряжения, т.е. для низкочастотных изменении напряжения.

На основе выполненного анализа схем электроснабжения ДСП средней емкости через трансформатор с расщепленными обмотками и трехобмоточный трансформатор выявлено, что схема питания ДСП через трансформатор с расщепленными обмотками приводит к увеличению коэффициента ослабления дач коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в 1,5...1,75 раза по сравнению со схемок питания ДСП той же емкости через трехобмоточный трансформатор от обмотки СН, т.е. происходит снижение передачи искажения синусоидальности кривой напряжения в питающую систему электроснабжении.

>

В пятой главе показана целесообразность нормирования искажения синусоидальности кривой напряжения дав ДСП по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения К и, исходя из неременного характера параметров питающей СЭС.

Разработаны комплексные условия электромагнитной совместимости ДСП с СЭС, сочетающие с одной стороны требования к параметрам питающей сети в виде допустимых значений отклонений, колебаний напряжения и коэффициента искажения сш1усоидальносга кривой напряжения, значений мощностей к.з. на пшаах питания ДСП, а с другой стороны требования ГОСТ 13109-97 к предельному значению коэффициента искажения сшгусоидальиости ¡фпвой напряжения г. общих точках присоединения ДСП к питающей сети.

Па основании разработанного метода на рис.2...5 представлены области электромагнитной совместимости для характерного режима работы ДСП -режима, максимальной производительности.

На рис.2...5 ограничения по допустимым параметрам питающей системы электроснабжения ка шинах питания ДСП с целью выполнения ГОСТ 13109-97 определяются следующими требованиями:

1. и.к:х< 1Мип.

2. Для заданных параметров питающей системы электроснабжения и печного контура ДСП

при <5ТУдстг_,; >-5%

<? > и ^ -^о- ■Ь5р(и„сх-0.95Ц„)-иясх} .

при ¿г/дся-с ^-10%

С А-,-(0.9^, У

- к^.г^-ош^У

где ш=/Ж} /7 - коэффициент пропорциональности тока ЭКЗ и рабочего тока печи /;

Ь - коэффициент потерь мощности, создаваемых нагрузкой ДСП;

Кпт - коэффициент трансформации печного трансформатора; '¿к, Хк -соответственно, полное и индуктивное сопротивление печного контура.

3.С учетом требовашш ГОСТ 13109-97 к колебаниям напряжения на шинах питания чувствительных к ним электроприемников осветительной нагрузки

^I./¡сп.дап — Удсп-сн ' ^\он.доп(рост}-

4.С учетом требований ГОСТ 13109-97 к предельно допустимому значению коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения в точках общего присоединения к электрическим сета«

К < V к

"■и(хв)дов —/Ч„(ДСП-П!-) ' дгад доп.(гост)-

5(г/у I '■>е,-':СЛ-

Рис.2. Область электромагнитной совместимости ADFKC (заштрихоьана) нагрузки ДСП-6 с ЗПТ 4,2 МВА в режиме максимальной прокзйодитсльности sia максимальной ступени трансформации при питании через трехоб.чот очный трансформатор

Рис.3. Область электромагнитной совместимости АДИ.ХС (заштрихована) нагрузки ДСП-40 с ЗГ1Т 15 МВА а ргжиме максимальной производительности "а максимальной ступени трансформации при питании через трансформатор с расщепленными обмотками

Sxn.âcn не A

Giï/ч

sa

<î -i

tm

30

25

!>i i 1 I W

o.w*

OMh

VucxmUH. 15 xS

J~ 10 12 Ь

КиЦсШоа* {■

JS

Ku,Y.

2 i i дШрег.У.

f^n?3m-l5utali0û!l ip-o,s)

Рис.4. Область электромагнитной совместимости AMLC (заштрихована) нагрузки ДСП-40 с ЭПТ 32 МЗА в режиме максимальной производительности, на максимальной ступени трансформации при питания через трехобмоточный трансформатор

Г I 5 » 6Utpu.Y-

Рис.5. Область электромагнитной совместимости AMLC (заштрихована) нагрузки ДСП-100 с ЭП'Г 63 МВА в режиме максимальной производительности на максимальной ступени трансформации при питании через двухобметочный трансформатор

При совместном аначкзе нормирования по колебаниям 'напряжения и коэффициенту искажения синусоидальности кривей напряжения показано, что доминирующим фактором при анализе электромагнитной совместимости ДСП с питающей системой электроснабжения являются колебания напряжения, которые приводят к значительным ограничениям допустимых режимов работы

дсп.

Однако, в ряде случаев, например при питании ДСП через трехобмоточные трансформаторы, предельно допустимое значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в точках общего присоединения к электрической сети оказывает большее ограничение областей ЭМС ДСП с питающей системой электроснабжения, чем колебания напряжения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенных в диссертации теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Разработан метод, позволяющий по известным параметрам питающей системы электроснабжения л параметрам печного контура определять с высокой точностью коэффициенты потерь мощности для различных схем питания дуговых электропечей: через двухобмоточный трансформатор, через трансформатор с расщепленными обмотками и трех обмоточный трансформатор. Полученные аналитические выражения для определения коэффициента потерь мощности позволяют повысить точность инженерных расчетов электрических и рабочих характеристик дуговых сталеплавильных печей, а также показателей качества электрической знергни в том числе коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения.

2. Доказано, что для анализа динамики системы автоматического регулирования структурная схема САР ДСП может быть представлена передаточными функциями разомкн>той системы: автоматического регулятора мощности и электрического печного контура с электрической дугой. Показано, что автоматический регулятор мощности является низкочастотным звеном в системе электроснабжения ДСП, что приводит к искажению кривой напряжения и тока в диапазоне частот 0,3...6 Гц. Высокочастотным звеном в системе электроснабжения ДСП является электрическая дуга.

3. Получены аналитические выражения для расчета частотной характеристики электрической душ ДСП. Показана степень влияния на частотную характеристику дуги как параметров печного контура, так и переменных параметров питающей системы электроснабжения.

4. Разработан метод расчета гармоник тока и напряжения, генерируемых ¡¡ел пне иной дугой, в точке подключения дуговой электропечи к питающей системе электроснабжения. Показано, что элементы электрооборудования ДСП (короткая сеть, элекгропечной агрегат) имеют линейный характер при

прохождении по ним гармоник тока и изменении гармоник напряжения. Доказано, что увеличение рабочего тока печи, уменьшение мощности к.з. и увеличение напряжения на шинах питания ДСП приводят к возрастанию уровня высших гармоник в точке подключения дуговой электропечи к питающей сети.

5. Разработан метод нормирования' коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в характерных точках питающей системы электроснабжения при питании ДСП по схеме "глубокого ввода", через трансформатор с расщепленными обмотками, через сдвоенный реактор иг через трехобмоточныи трансформатор. Дана оценка степени влияния силовых элементов (двухобмоточкых трансформаторов, трансформаторов с расщепленными обмотками, трехобмоточных трансформаторов, сдвоенных реакторов, кабелей связи б...35 кВ, высоковольтных линий питания 110...220 кВ) на ослабление высших гармоник напряжения, создаваемых ДСП.

6. 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.

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

8. Разработаны комплексные условия электромагнитной совместимости ДСП с питающей системой электроснабжения, сочетающие с одной стороны требования к параметрам питающей ДСП сети в виде допустимых отклонений напряжений, 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 требования ГОСТ 13109-97 к предельному значешпо коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в общих точках присоединения дуговых электропечей к питающей сета.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

ГВахнина В.В и др. Многочастотные филырокомпенсирукяцие устройства на основе одночастотных комбинированных фильтров.// Промышленная энергетика. - 1988. - №4. -С. 51 - 55.

2.А.С. 1381650 (СССР). Устройство дня регулирования мощности трехфазных фильтров/Вахнина В.В. и др.// Бюл. изобр. - 1988. - №10.

3.Салтыков В.М., Вахнина В.В., Борисов В.Я. Влияние компенсации реактивной мощности на повышение производительности дуговых электропечей. - В кн. Кибернетика электрических систем. Электроснабжение промышленных предприятий. - Гомель, 1991. - С.122-123.

4 .Салтыкова O.A., Вахнина В.В., Борисов В.И. Нормирование колебаний напряжения от группы дуговых электропечей. - В кн. Кибернетика электрических систем. Электроснабжение промышленных предприятий. -Гомель, 1991. -С.124.

5.Вахнина В.В., Салтыков В.М. Разработка статической и динамической модели ДСП - регулятор мощности - компенсирующее устройство с учетом параметров питающей сети. - В кн.: Энергосбережение, элеюропотребленис, электрооборудование. - М., 1994. - С.61 - 63.

6.Разрзботка энергосберегающего метода и автоматизированной системы управления: Отчет по г/б 03537 / ТолПИ: Салтыков В.М, Салтыкова O.A., ВахяшшВ.В. и др. - № ГР 01.9.10031751. - Тольятти, 1995. - 103 с.

7.Развитие теории энергосбережения электротехнологических процессов: Отчет по г/б 03540 / ТолПИ: Салтыков В.М., Салтыкова O.A., Вахнина В.В. и др. - № ГР 01.9.10031751. - Тольятти, 1997. - 67 с.

8.Салтыков В.М., Салтыкова O.A., Борисов В.И., Вахнина В.В. Особенности технологических режимов дуговых сталеплавильных печей. Юбилейная научно-техническая конференция. Тезисы докладов. Тольятти, 1997.-С.8-9.

9.Салтыков В.М., Вахнина В.В. Разработка методов расчета рациональных характеристик дуговых электропечей с учетом параметров питающей сета. - В кн.: Педагогические, экономические и социальные аспекты учебной, научной и производственной деятельности. - Тольятти, 1998. - С.ЗЗЗ -335.

Ю.Салтыков В.М., Вахшша В.В., Кирганов О.М. Разработка динамической модели дуговая печь - автоматический регулятор мощности с учетом переменных параметров питающей сети. - В кн.: Педагогические, экономические и социальные аспекты учебной, научной и производственной деятельности. - Тольятти, 1998. - С.331 - 333.

11.Салтыков В.М., Вахнина В.В. Определение частотной характеристики автоматического регулятора мощности дуговой сталеплавильной печи. Межвузовский сборник научных трудов "Наука, техника, образование г. Тольятти и Волжского региона" - Тольятти, 1999.-С.76-78

12.Салтыков В.М., Вахнина В.В. Анализ и расчет высших гармоник тока и напряжения дуговых сталеплавильных печей//Электромеханика... (Изв. высш. учеб. заведений). -2000. - №1.

Личный вклад автора. В работах [3, 5, 6, 7, 10] автору принадлежит постановка задач исследования, расчетная часть; в работах [4, 8, 9] автором выполнена постановка задачи, аналитические исследования; в работах [1, 2] -идея устройства и алгоритм решения поставленной задачи.

Заказ 70(5, Подиям ш> в печать ¡б.О.ЧДООО r.Ttf аш-№) w.

Печа» «фмта»я.Уед.я.л.-1.25.Ф<1р«ат-Л5,Q-тчмш ООО ТкмгзафтЯ «Фор рад. j.Tflittirris. ул. МГсриквЛб.