автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка электроприводов волочильных станов на основе энергосберегающих асинхронных двигателей



На правах рукописи

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ВОЛОЧИЛЬНЫХ СТАНОВ НА ОСНОВЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.03 -Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О ДЕК 2009

Магнитогорск - 2009

003488302

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

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Мугалимов Риф Гарифович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Сарваров Анвар Сабулханович

- кандидат технических наук, доцент Омельченко Евгений Яковлевич

Ведущая организация - ОАО «Белорецкий металлургический

комбинат»

Защита диссертации состоится 24 декабря 2009 года в 12 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова по адресу: г. Магнитогорск, пр. Ленина, д. 38, ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», автореферат размещен на сайте http://www.magtu.ru

Автореферат разослан «21» ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент С''- ) К.Э. Одинцов

С/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Метизные предприятия России производят порядка двух миллионов тонн продукции в год. Исходным материалом для метизной продукции является проволока, которая проходит обработку на волочильных станах крупного волочения. Тенденцией мирового сообщества является снижение потребления электроэнергии с целью эффективного использования ресурсов и повышения конкурентоспособности продукции. Поэтому существует проблема повышения энергоэффективности метизных предприятий.

Одной из причин снижения энергоэффективности метизных предприятий является использование в электроприводах волочильных станов традиционных асинхронных двигателей (ТАД), потребляющих из электросети реактивную мощность индуктивного характера. Это существенно снижает коэффициент мощности (coscp), а следовательно, энергетический коэффициент полезного действия, равный произведению электрического к.п.д. и коэффициента мощности.

Эффективным методом снижения энергозатрат является компенсация реактивной мощности. Для этого применяются различные способы и технические устройства. Например, подключение к электросети компенсирующих конденсаторов, специальных полупроводниковых управляемых компенсаторов, синхронных машин, работающих в режиме генерирования реактивной мощности емкостного характера и др. Однако их технико-экономическая эффективность проявляется преимущественно в электрических сетях высокого напряжения 6/10 кВ и более. Вместе с тем, наибольшие потери электрической энергии от реактивных токов имеют место в электрических сетях напряжением 0,4 кВ, от которых питаются до 80% асинхронных двигателей. В системах электроснабжения 0,4 кВ метизного производства зачастую отсутствуют компенсаторы реактивной мощности (КРМ). Поэтому потери электроэнергии от реактивных токов составляют 20 - 36% от общих потерь.

Повышению энергоэффективности предприятий, в том числе метизного производства, технологических агрегатов и рабочих машин посвящены научные труды многих ученых: Ильинский Н.Ф., Копылов И. П., Рожанковский Ю.В., Веников В.А., Браславский И.Я., Зюзев A.M. и др.

Цель диссертационной работы - снижение потерь электроэнергии в низковольтных промышленных сетях и асинхронных электроприводах путем повышения коэффициента мощности и энергетического к.п.д. Для достижения поставленной цели решаются следующие главные задачи:

1. Анализ потерь электроэнергии в системах электроснабжения и электроприводах волочильных станов метизного производства и определение оптимальных путей снижения потерь электроэнергии.

2. Разработка методики расчета параметров энергосберегающих асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности при их создании путем реконструкции существующих двигателей.

3. Создание опытно-промышленных вариантов электроприводов на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для волочильного стана.

4. Экспериментальные исследования энергоэффективности созданных электроприводов.

5. Разработка и исследование системы управления электроприводами на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для волочильных станов с использованием одного устройства плавного пуска.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались: теория электрических цепей; теория электрических машин; методы компьютерного моделирования; математические методы обработки информации; методы цифровой обработки аналоговых сигналов; методы экспертных оценок; методы эквивалентирования электрических нагрузок; экспериментальные методы; специальное программное обеспечение.

Научная новизна работы:

1. Представлен комплексный подход к исследованию электрических потерь в системах электроснабжения и электроприводах волочильного производства. Он отличается от известных детализацией элементов системы электроснабжения и электроприводов волочильных станов, учетом электрических параметров (активное, индуктивное, емкостное сопротивления шинопроводов, кабелей, силовых проводов и д.р.) каждого участка системы электроснабжения, топологии расположения волочильных станов, коэффициентов загрузки электрооборудования и графиков работы волочильного отделения цеха.

2. Получены зависимости для расчетов емкости компенсирующего конденсатора асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. Основное отличие заключается в определении емкости компенсирующего конденсатора с учетом всех параметров схемы замещения двигателя и его коэффициента загрузки.

3. Разработана методика расчета параметров энергосберегающих асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности при реконструкции традиционных асинхронных двигателей в условиях электроремонтных цехов и предприятий.

4. Разработана компьютерная программа для определения параметров схемы замещения, рабочих и механических характеристик энергосберегающих асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности при их создании путем реконструкции традиционных асинхронных двигателей. Отличительной особенностью программы является наличие в ней расчетного модуля, позволяющего рассчитывать и визуально наблюдать изменение характеристик при регулировании параметров схемы замещения двигателя в заданных диапазонах.

Практическая значимость работы:

1. Проведенные исследования электрических потерь в системах электроснабжения и электроприводах волочильного производства позволяют оце-

нить эффективность использования электроэнергии в зависимости от параметров силовых трансформаторов, схемы электроснабжения, электрических нагрузок, коэффициента загрузки электрооборудования и графиков работы волочильного цеха.

2. Полученные зависимости для расчетов емкости компенсирующего конденсатора асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности позволяют определить оптимальную емкость компенсирующего конденсатора до реконструкции традиционного асинхронного двигателя на энергосберегающий вариант.

3. Разработанная компьютерная программа для определения параметров схем замещения, рабочих и механических характеристик энергосберегающих асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности позволяет формировать рабочие и механические характеристики до реконструкции традиционного двигателя.

4. Разработанная система управления электроприводами волочильного стана на базе одного устройства плавного пуска для всех его электродвигателей позволяет получить наилучшие энергетические показатели в функции от их загрузки.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедрены: в ОАО «ММК-МЕТИЗ» в виде математической модели и рекомендаций по снижению потерь электроэнергии в системах электроснабжения и электроприводах волочильного производства с целью повышения его энергоэффективности; в ООО «Магнитогорские услуги» в виде инженерных расчетов и зависимостей для осуществления реконструкции традиционных асинхронных двигателей на двигатели с индивидуальной компенсацией реактивной мощности; в сталепро-волочном отделении цеха металлических сеток ОАО «ММК-МЕТИЗ» в виде опытно-промышленных электроприводов волочильного стана на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

Обоснованность и достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается строгим выполнением математических преобразований; принятием корректных допущений; подтверждением данных моделирования экспериментальными результатами; применением современных математических моделей и пакетов программ.

Основные положения выносимые на защиту.

1. Подход к исследованию электрических потерь в системах электроснабжения и электроприводах волочильного производства, отличающийся от известных детализацией элементов системы электроснабжения и электроприводов волочильных станов, учетом электрических параметров каждого участка системы электроснабжения, топологии расположения волочильных станов, коэффициентов загрузки электрооборудования и графиков работы волочильного отделения цеха.

2. Параметры схемы замещения, рабочие и механические характеристики асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной

мощности для опытно-промышленного энергосберегающего электропривода волочильных станов, полученные с помощью созданной программы для ЭВМ.

3. Зависимости для расчета параметров энергосберегающих асинхронных двигателей при реконструкции традиционных двигателей в условиях электроремонтных цехов и предприятий.

4. Логические уравнения, положенные в основу функциональных блоков системы управления электроприводами волочильного стана с одним устройством плавного пуска.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: международных научно-технических конференциях молодых специалистов, инженеров и техников ОАО «ММК», Магнитогорск, 2003, 2004 г.; десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов МЭИ, Москва, 2004 г.; [ международной научно-практической конференции «Интехмет-2008», Спб., 2008 г.; 62, 66, 67 научно-технических конференций ГОУ ВПО «МГТУ», Магнитогорск, 2003, 2008, 2009 г.; международной конференции «Электроэнергетика и автоматизация в металлургии и машиностроении», Магнитогорск, 2008.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных статей, докладов и тезисов, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и обч.ем работы. Диссертационная работа изложена на 178 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 72 наименований, приложений, включает 82 рисунка и 43 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ведении обоснована актуальность работы, определены цели и задачи исследований, намечены методы их решения, сформулированы научная новизна и практическая значимость, приведены результаты реализации работы, обоснованы достоверность полученных результатов и выводов, представлены положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы и публикациях по теме диссертации, структуре и объеме диссертации.

В первой главе проведен обзор рынка выпускаемой метизной продукции в Российской Федерации. Рассмотрены способы снижения себестоимости метизной продукции: модернизация существующих волочильных станов; создание энергосберегающих электроприводов для волочильных станов; снижение потерь электрической энергии известными методами компенсации реактивной мощности.

Обобщены и уточнены основные требования, предъявляемые к электроприводу волочильного стана. Рассмотрены и проанализированы различные системы электроприводов волочильных станов: /. Система электроприводов на основе асинхронных двигателей с фазным ротором и релейно-контакторной системой управления; 2. Система электроприводов на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором с использованием частотного преобразователя (ПЧ-АД); 3. Система электроприводов на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором с тиристорным регулятором напря-

6

жения (ТРН-АД); 4. Система электроприводов на основе асинхронных двигателей с фазным ротором, синхронизированных с сетью. Показано, что в рассмотренных вариантах электроприводов волочильных станов в качестве электродвигателей используются ТАД. Вместе с тем, в настоящий момент разработаны энергосберегающие асинхронные электродвигатели с индивидуальной компенсацией реактивной мощности (ЭАД). Применение этих двигателей, например, для электроприводов насосных агрегатов, вентиляторов, насосов нефтяных качалок и других механизмах обеспечивает снижение электропотребления на 10-15%.

Конструктивные особенности ЭАД заключаются в том, что в отличие от ТАД, электромагнитная схема которого изображена на рис. 1(a), содержащего на статоре одну трехфазную обмотку (ОС), подключаемую в электросеть, электромагнитная схема ЭАД содержит на статоре две трехфазные обмотки, рис. 1(6). Одна из обмоток, называемая рабочей (РО), включается в электросеть, другая, называемая компенсационной (КО) — на трехфазный компенсирующий конденсатор (С).

ЭАД и электроприводы на их основе работают с cos<p=l,0 и энергетическим к.п.д., равным 85-92%. Это на 15-18% выше, чем у ТАД, серийно выпускаемых Российскими электромашиностроительными предприятиями, и на 8-13% выше чем у энергосберегающих асинхронных двигателей иностранных фирм, например, AEG, Сименс (Германия), ABB, Гоулд (США). Энергетический к.п.д. последних составляет 72-84%, и достигается за счет увеличения массы электротехнической стали на 30-35%, меди на 20-25%, алюминия на ¡015%. Однако ЭАД для электроприводов механизмов метизных предприятий не применялись.

На основании анализа состояния проблемы сформулированы задачи проведения исследований электроприводов волочильных станов на основе ЭАД, с целью определения целесообразности их внедрения на производстве для достижения наилучших показателей по снижению электрических потерь.

а) б) с

Рис. 1. Электромагнитные схемы ТАД (а) и ЭАД (б)

Вторая глава посвящена исследованию количественной оценке потерь электроэнергии в системах электроснабжения и электроприводах волочильно-

го производства и определению вариантов ее снижении при минимальных капитальных затратах.

Поставленная задача решается методом математического моделирования системы электроснабжения одного из волочильных участков цеха с наиболее энергоемкими волочильными станами типа 1Юг8А производства германской фирмы Бкег с электроприводами на основе ТАД. Суммарная установленная мощность асинхронных электроприводов, подключенных к наиболее нагруженной системе шин волочильного участка сталепроволочного цеха ОАО «ММК-МЕТИЗ» составляет РуСттп-27=2157 кВт или 36,3% от общей мощности асинхронных электродвигателей волочильных станов цеха. Система электроснабжения участка волочения является магистрально-радиальной и выполнена по схеме, рис. 2.

Р-27.1

Рис. 2. Схема электроснабжения волочильного участка

Для математического моделирования схемы электроснабжения и электроприводов использовался метод эквивалентирования нагрузок. Параметры элементов схемы замещения системы электроснабжения и нагрузка представлены сосредоточенными и рассчитаны с учетом реальных параметров шино-проводов, кабелей и электроприводов.

В существующей системе электроснабжения волочильного участка цеха ЦМС-СПО ОАО «ММК-МЕТИЗ» осуществили моделирование расхода электрической энергии с помощью программы МиШБт у.10 для следующих вариантов:

1. Без применения КРМ и электроприводов на основе ТАД.

2. С подключением КРМ параллельно электроприводам на основе ТАД.

3. С подключением КРМ на систему шин РУ 0,4 кВ ТП-27 и применением электроприводов на основе ТАД.

4. С подключением КРМ на каждый РП и применением электроприводов на основе ТАД.

5. С применением приводов на основе ЭАД.

Для анализа результатов моделирования были выделены наиболее значимые электрические параметры, представленные в табл. 1.

Таблица 1

Средние значения показателей РП за сутки

Яо К.з., Руст*, и,, Р|, Рз, 1|, СОЭфр,,, Пт-АЛ, О, С, Пер, АР,

о.е. кВт В В кВт кВт А о.е. о.е. кВАр мкФ о.е. кВт

1 0,985 918 219,9 211,0 1017,0 904,1 1652 0,919 0,897 432,0 - 0,858 152,5

2 0,989 918 220,4 211,4 1018,2 908,5 1656 1,000 0,899 0,0 9633 0,866 143,2

3 0,985 918 219,9 217,0 1017,2 904,3 1652 0,919 0,897 432,1 9633 0,860 150

4 0,989 918 219,8 211,5 1020,2 908,5 1656 1,000 0,898 0,0 9633 0,864 146,1

5 0,958 951 216,5 211,54 990,6 911,6 1505 1.000 0,926 0,0 1836 0,894 110,7

* - Расчетная мощность при напряжении питания 220 В

В таблице 1: К3 - коэффициент загрузки оборудовании; Руст - средняя установленная мощность нагрузки, полученная расчетным путем, при напряжении питания непосредственно на асинхронных двигателях и,=22013; Ц] -среднее фазное напряжение на РП; ит - среднее фазное напряжение на роторе эквивалентированного двигателя; Р| - средняя активная мощность РП; Рз -средняя полезная мощность эквивалентированного электропривода; I, - средний ток; со5(ррп - коэффициент мощности; Прп-ад ~ коэффициент полезного действия системы «распределительный пункт - асинхронный двигатель»; О -средняя реактивная мощность эквивалентированного электропривода; С -емкость, необходимая для полной компенсации реактивной мощности; г|ср -средний коэффициент полезного действия системы «силовой трансформатор -асинхронный двигатель волочильного стана»; АР - потери активной мощности при различных вариантах компенсации реактивной мощности.

В результате исследования потерь электроэнергии в системе электроснабжения метизного производства установлено: в существующей системе электроснабжения и применяемых электроприводах на основе ТАД для волочильных станов при коэффициенте использования оборудования К„=0,45 за один год теряется до 600 тыс. кВт-час электроэнергии стоимостью более миллиона руб., что подтверждает актуальность научно-технической проблемы; исследование вариантов технических решений, направленных на снижение потерь электрической энергии показало, что вариант применения электроприводов на основе ЭАД для волочильных станов по всем технико-экономическим показателям превосходит другие рассмотренные варианты.

На основе полученных результатов моделирования принято решение о разработке и исследовании электроприводов волочильных станов на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. В известных научных публикациях и патентах информация о электроприводах на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсации реактивной мощности не содержится, за исключением публикаций научной школы к.т.н. Мугалимова Р.Г.

Третья глава посвящена разработке методики расчета ЭАД, созданных на основе ТАД, исследованию их рабочих и механических характеристик.

Разработаны и получены зависимости для расчета емкости компенсирующего конденсатора ЭАД. Определение емкости компенсирующего конденсатора основано на решении уравнения, описывающего эквивалентную проводимость схемы замещения ЭАД, рис. 3. Формула для расчета емкости компенсирующего конденсатора имеет вид:

Рис. 3. Схема замещения ЭАД

2-А

л-f-(l+kf -(2-A-(±,W±,

(З-а + 2-y+t --—-))- Б) W

(1)

Коэффициенты выражения (1) А, В, W, а, Д у зависят от параметров схемы замещения ЭАД. Оно имеет физический смысл при положительных ±| и ±2- Построены зависимости токов намагничивания, компенсационной обмотки и их ъуммы 1т:м:1,Г,,1тЭА!1+Г} от коэффициента изменения ветви намагничивания двигателя kZm, рис. 4. Интервал DB на оси k2m указывает технически рациональный диапазон поиска величины kZm. Для определения конкретной величины коэффициента kZm, из выделенного диапазона DB, построили зависимость Лэдд^^гш), удовлетворяющую условию п .,.,„ < п ...„ • На рис. 5

/н/АД /нЭАД

приведена зависимость коэффициента полезного действия ЭАД, от коэффициента к7т в диапазоне 2,25 - 2,91, удовлетворяющая условиям / +/'.>/ и

о 0.2 0,4 0,6 0.8 1 1.2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2.6 2,8 3 3,2 3,4 3,6

Rzm, o.e.

Рис.4. Зависимости токов Im, Г3 и 1т+Г3 от коэффициента kZm

10

93,5

93,0

92,5

92,0

4 91,5 с

* 91,0

90,5 90,0 89,5 89,0

Зависимость к.п.д. ЭАД от кг™

:с ---

М'

к. п. д. ТАД

К? m = 2,?S Клп=2,<и

I D В

Зависимость cosq> от мощности Рг

0,9 0,8 0.7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

0 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3.4 3,6 kzm, o.e.

Рис. 5. Зависимость г) ЭАД от коэффициента kZm

-................-»-> • A~0,08J___i__

Д~0,07 j

/ / ! 1 г \ 1 1 j

/ 1 1 1

/ ! ; —эад 1 г

1 / !~'ТАД 1 t

/ ! 1 1 1

/ i 1 1 J 1

Рг=30 к&т Р2н_ 55 кВт !

1 i р2=75 КВТ 1 1

О 10 20 30 40 50 60 70 80 Р2, кВт

Рис. 6. Зависимости соэф ЭАД и ТАДот полезной мощности

О 10 20 30 40 50 60

Рг, кВт

Рис.7. Зависимости ?/э„ ЭАД и ТАД от полезной мощности (г),„=т]-ъо%(р)

Точки пересечения линий ИС и А В с зависимостью коэффициента полезного действия (точки 14" и М-) показывают диапазон изменения к.п.д. ЭАД, 92,8 - 93,25%. Из анализа графика следует, что численное значение кгт=2,91, обеспечивает максимальный коэффициент полезного действия ЭАД, равный 93,25%.

Реконструкция исходного двигателя осуществляется по разработанному алгоритму. Рабочие (энергетические) и механические характеристики исходного и реконструированного в энергосберегающий двигателей, рассчитанных по представленному алгоритму, приведены на рис. 6-8.

180 160

140 120

* 100

" ?i 3 -й "" 80

60

40

20

0

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

М, Н'м

Рис. 8. Естественные механические характеристики ЭАД и ТАД

Номинальные данные и показатели характерных точек рабочих и механических характеристики ТАД и ЭАД типа SMR250-4 для электроприводов

волочильных станов 1ГО28А2500-3 приведены в табл. 2.

Таблица 2

__ Номинальные данные ТАД и ЭАД 5МК250-4__

Р2-, ГЬц, 1|н> cos%, Пи. Нэн, м„ мп. м„

кВт об/мин А о.е. о.е. о.е. Н-м Н-м Н-м

ЭАД 55 1458 93 1,0 94,4 94,4 370 625 1470

ТАД 55 1450 104 0,92 91 84 369,6 760 1350

Анализ таблицы 2 показывает: ток ЭАД, меньше тока ТАД на 11,83 %; вращающие моменты двигателей - идентичны; соБф,, ЭАД больше соБср,, ТАД на 8,6%; электрический к.п.д. ЭАД на 3,4% больше чем у ТАД; энергетический к.п.д. ЭАД на 10,4% больше чем у ТАД; частоты вращения роторов ЭАД и ТАД практически совпадают. Анализ механических характеристик ТАД и ЭАД, рис. 8, позволяет утверждать: номинальные моменты двигателей практически одинаковые; пусковой момент ЭАД на 21,6% выше пускового момента ТАД; критический момент ЭАД на 8,9% выше чем у ТАД. С целью подтверждения энергоэффективности привода волочильных станов на основе ЭАД провели экспериментальные исследования рабочих и механических характеристик. На рис. 9-10 приведены расчетные и экспериментальные зависимости рабочих характеристик двигателей.

Рис. 9. Экспериментальные и теоретические зависимости потребляемого тока (а) и момента (б) от полезной мощности

Г]эи, О.в.

Экспериментальная и рассчетная зависимости энергетического коэффициента полезного действия от полезной мощности

"7 "

Экспериментально-расчетная - Теоретическая

40 50

Р2, КВТ

Рис. 10. Экспериментально-расчетная и теоретическая зависимости Пэ^/Р?)

В результате экспериментов установлено, что теоретические и экспериментальные рабочие и механические характеристики 1,М=_/£Рг) в области реальных нагрузок практически совпадают. Энергетический к.п.д. полученный экспериментально-расчетным путем, отличается от теоретического в пределах 5%, что объясняется допущениями, принятыми при расчете. Это позволяет утверждать о достаточной достоверности полученных зависимостей и разработанных математических моделей, определяющих параметры схемы замещения ЭАД. Для сравнения и подтверждения основных энергетических показателей

двигателей работающих под нагрузкой, на рис. 11, 12 приведены осциллограммы напряжения, тока и мощности ЭАД и ТАД в установившихся режимах работы под нагрузкой.

Ток ЭАД, А Напряжение ЭАД, В Мощность, хО,1кВА

-0,02

,06

Время, с

;.............................................-400;00-..................................................

Рис. 11. Осциллограммы питающего напряжения, тока и мощности ЭАД

I.............................-400,-60 -..............................................................

300,00

Ток ТАД, А Напряжение ТАД, В Мощность, хО,1кВА

0,06

I Время, с

........................."400,00 -............-.......................-.........-................................................................................................................................................-..............

Рис. 12. Осциллограммы питающего напряжения, тока и мощности ТАД

Анализ осциллограмм, рис. 11, 12, показывает:

1. В ЭАД сдвиг фаз между питающим напряжением и потребляемым током практически равен нулю, коэффициент мощности двигателя со5(р=1,0; действующее значение тока равно, 1|= 46 А; активная мощность равна, Р=]0,\ кВт на фазу; реактивная мощность практически отсутствует, <2=0. Полная мощность 5=30,3 кВА. Коэффициент загрузки двигателя по активной мощности составляет 55% от номинальной (55 кВт).

2. Сравнительный анализ показателей работы ТАД и ЭАД позволяет отметить: ток ЭАД в 1,32 - 1,39 раза меньше тока ТАД; соБф ЭАД равен 1,0, что на 16,28 % больше собс? ТАД.

Исследовано потребление энергии при разгоне двигателей под нагрузкой. На рис. 13, 14 приведены осциллограммы напряжений, токов и мощности ЭАД и ТАД.

2000.00 р.....-......

Мощность, хО,1кВА

Ток, потребляемый ЭАД, А

Напряжение сети, В

Рис.13.Осциллограммы питающего напряжения, тока и мощности ЭАД

-400.00

Рис.14.Осциллограммы питающего напряжения, тока и мощности ТАД

Анализ осциллограмм, рис. 13, 14, показывает, что максимальный пусковой ток ЭАД (500 А) меньше максимального пускового тока ТАД (630 А) в 1,26 раза. Энергия, затрачиваемая ТАД, на пуск под нагрузкой - 247,28 кДж. Энергия, затрачиваемая ЭАД, на пуск под нагрузкой, за то же время составляет 177 кДж, что в 1,38 раза меньше энергии ТАД.

Экспериментально доказаны технические преимущества и целесообразность применения ЭАД для электроприводов рабочих машин и механизмов в волочильном производстве.

В четвертой главе разрабатывается и исследуется система управления электроприводами на основе ЭАД для волочильных станов с одним устройством плавного пуска. Одним из основных требований к такой системе является количество пусков, которое может обеспечить устройство плавного пуска за единицу времени. Среднее количество запусков всех двигателей волочильного стана может определяться зависимостью N=15-11+10 пусков/час, где п=3 -количество блоков волочильного стана. Исходя из количества пусков, определена мощность ТРН. Исследованиями установлено, что для обеспечения номинального режима работы устройства плавного пуска, его номинальная мощность должна быть равна (1,25+1,5)-Р1„.

Технико-экономические исследования позволяет утверждать, что затраты на использование индивидуальных устройства плавного пуска (227 тыс. руб.), в три раза выше, чем стоимость одного устройства плавного пуска (71 тыс. руб.) повышенной мощности для всех электроприводов стана. На основе анализа процесса волочения разработан алгоритм управления электроприводами для п-блочного волочильного стана. Функциональная схема устройства, реализующая алгоритм, представлена на рис. 15.

Блок аварийной остановки Блок датчиков Блок

5 коррекции

4 ь

Рис. 15. Функциональная схема устройства управления электроприводами п-блочного волочильного стана с одним ТРН

Разработаны логические уравнения и логические схемы функциональных блоков. Пульт управления оператора описывается уравнениями:

- выбор режима (Pj) волочения (индексы ^ 2, з соответствуют волочильным блокам, д - моталка)

- выбор толчковых режимов (Tj)

/I = fi-f2-fJ-r4 + f;-f2.r,-f4 + ^-rJ.f,-f4 + 7"1.f2-f,.f4;

- выбор ручного (Р) или автоматического (А) способа управления /Гл=1гР~4+/*гР-Л+/,гР-Л=ЛгР-А + Р-Л-

Блок управления электроприводами (Б|):

Б, = /,; б3 = б, ■ (р} + р3 + р j ■ /, + /7 • т3; б} = • Г р, + р,) ■ /,. + /,. • 7-,; B^B.-fP. + Pj-fr+fr-T,-,

Логическими уравнениями так же описаны сигналы, управляющие коммутирующими устройствами рабочих обмоток и компенсирующих конденсаторов в функции коэффициентов загрузки /-того ЭАД. Работа алгоритма и функциональной схемы исследованы методом математического моделирования с применением ПО Multisim v.10.

На рис. 16 представлены временные диаграммы управляющих сигналов пуска трех клетьевого волочильного стана. Сигнал 115 - сигнал с пульта

управления на пуск. Сигнал 83 - подключение асинхронного двигателя в сеть, посредством устройства плавного пуска. Сигнал 95 - подключение блока датчиков выбранного волочильного блока. После разгона ('-го волочильного блока до рабочей скорости, он автоматически переключается на питание от сети.

Аналогично происходит пуск остальных волочильных блоков. Дискретные изменения емкостей компенсирующих конденсаторов г-тых ЭАД осуществляется после выхода электроприводов на установившийся режим волочения.

__ ______¿i

Time (?)

53333я> !06ü67m 10)W™ 3|3.333m M£67m :

1»»»тц и в«я

i ПдА.Си ; _

' - ТТ сши П>ш | ОИМО!» (в .Л-.:.]

! ^ +Н: 5«.., }&кт»1 ОЩИЫ ■

Рис. 16. Временные диаграммы управляющих сигналов системы управления

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Исследование вариантов технических решений, направленных на уменьшение электрических потерь в системах электроснабжения и электроприводах волочильного производства, показало, что ЭАД обладает преимуществами по сравнению с ТАД: увеличенным к.п.д. на 3-5%; меньшим током от 8,9 до 9,1% при одинаковой нагрузке на валу; коэффициентом мощности СО5ф=1,0.

2. Разработанные методика и компьютерная программа для расчета параметров ЭАД обеспечивают возможность создания энергосберегающего асинхронного двигателя.

3. Разработан, создан и исследован опытно-промышленный вариант энергосберегающих электроприводов на основе ЭАД типа БМЯ250-4-К с номинальными данными Р,г55 кВт, «„=1458 об/мин, (У,=380/220 В, /,„=94 А, Л„=103 А, соэф=! ,0. Двигатели изготовлены путем реконструкции статоров асинхронных двигателей с фазным ротором типа 5МЛ-55 Р„=55 кВт, я„=1450 об/мин, II,г380/220 В, //„=103 А, /2н=103 А, созф=0,86.

4. Экспериментальные исследования энергоэффективности созданного электропривода показали: максимальные пусковые токи ЭАД (450 - 500 А) меньше пусковых токов ТАД (600 - 630 А) на 20-25%; в установившемся режиме волочения ток, потребляемый из электросети электроприводами на основе ЭАД (60 - 65 А), ниже токов, электроприводов на основе ТАД (72 - 80 А) на 20-22%; уменьшение пусковых и установившихся токов электроприводов на основе ЭАД позволяет уменьшить удельный расход электроэнергии на волочение проволоки на 10-12,5% и снизить число выходов из строя асинхронных двигателей по причине перегрева; разработанная система управления электроприводами на основе ЭАД с регулированием емкости компенсирующих конденсаторов в функции коэффициентов их загрузки с применение одного ТРИ для пуска всех двигателей стана является экономически выгодной и способствует повышению энергоэффективности метизного производства; результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «ММК-МЕТИЗ» и в ООО «Магнитогорские услуги». Получена экономия электрической энергии 27755 кВт-ч за один год для электропривода одного блока волочильного стана.

В приложениях приводятся акты внедрения результатов работы.

Публикации автора по теме диссертации

Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК:

1. Губайдуллин А.Р. Экспериментальные исследования электроприводов волочильного стана на основе энергосберегающих асинхронных двигателей/ Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р. // Изв. вузов. Электромеханика. 2009, №1. С. 43-47.

2. Губайдуллин А.Р. Опыт создания энергосберегающих электроприводов волочильных станов/ Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р., Кретов C.B.// Промышленная энергетика. 2009, №7. С. 11-15.

3. Губайдуллин А.Р. Электроприводы на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для волочильных станов/ Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р.// Электротехника, 2009. №10, С. 22-28.

Публикации в других изданиях:

4. Губайдуллин А.Р. К вопросу выбора мощности электродвигателя волочильного стана/ Мугалимов Р.Г. //Молодежь. Наука. Будущее. Вып.2: Сб. науч. Тр. студентов/ Под ред. J1.B. Родионовой. - Магнитогорск: МГТУ, 2004. - 249-252.

5. Губайдуллин А.Р. Электропривод прокатно-волочильного стана на основе энергосберегающих асинхронных двигателей/ Мугалимов Р.Г. // Тезисы докладов международной научно-технической конференции молодых специалистов, инженеров и техников ОАО «ММК» - Магнитогорск, 2004 г. С. 81-82.

6. Губайдуллин А.Р. Индивидуально компенсированные асинхронные двигатели и их технико-экономические преимущества. Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 7/ Мугалимов Р.Г. Под ред. A.C. Карандаева, К.Э. Одинцова. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2002, С. 305-314.

7. Губайдуллин А.Р. Энергосберегающие асинхронные двигатели с индивидуальной компенсацией реактивной мощности и электроприводы на их основе/ Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р.// Сборник докладов 1 международной научно-практической конференции «Интехмет-2008». Спб., 2008. С.25-26.

8. Губайдуллин А.Р. Экспериментальные исследования энергосберегающего электропривода волочильного стана UDZSA2500/3/ Мугалимов Р.Г. //Материалы 66-ой научно-технической конференции: Сб. докл. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. Т.2. С. 47-50.

9. Губайдуллин А.Р. Экспериментальные исследования электроприводов волочильного стана на основе энергосберегающих асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности/ Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р.// Сборник докладов международной конференции «Электроэнергетика и автоматизация в металлургии и машиностроении» 22-24 октября, - Магнитогорск, 2008. С. 75-86.

10. Губайдуллин А.Р. Исследование энергосберегающих свойств асинхронных электроприводов волочильного стана UDZSA2500-3./ Мугалимов Р.Г. //Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 13// Под ред. С.И. Лукьянова. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2006. С. 156-161.

11. Губайдуллин А.Р. Компенсированные асинхронные двигатели и их технико-экономические преимущества/ Мугалимов Р.Г.// Тезисы докладов международной научно-технической конференции молодых специалистов, инженеров и техников ОАО «ММК» - Магнитогорск, 2003 г. С. 54-56.

12. Губайдуллин А.Р. Линейная математическая модель энергосберегающего индивидуально компенсированного асинхронного двигателя/ Мугалимов Р.Г. //Материалы 62-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2002-2003гг.: Сб. докладов. Под ред. Г.С. Гуна -Магнитогорск: МГТУ, 2003. С. 100-104.

13. Губайдуллин А.Р. Электропривод прокатно-волочильного стана на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности/ Мугалимов Р.Г./ Радиоэлектроника, электротехника и энергетика// Десятая междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. М.: МЭИ. 2004 Т.2.С. 101-102.

14. Губайдуллин А.Р. Обоснование целесообразности создания энергосберегающих электроприводов на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности/ Р.Г. Мугалимов, А.Р. Мугалимова, C.B. Кретов// Материалы 67-й научно-технической конференции: сб. докл. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009, Т.2. С. 90-93.

Подписано в печать 20.11.2009. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 817.

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

Введение.

1. АНАЛИЗ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ВОЛОЧИЛЬНОГО СТАНА.

1.1. Объект исследования. Состояние проблемы.

1.2. Волочильные станы и технология волочения проволоки.

1.3. Технологический процесс волочения проволоки.

1.4. Требования к электроприводам волочильных станов.

1.5. Обзор электроприводов волочильных станов.

1.5.1. Система электроприводов на основе асинхронных двигателей с фазным ротором с релейно-контакторной системой управления.

1.5.2. Система электроприводов на основе асинхронных двигателей с устройством плавного пуска ПЧ-АД.

1.5.3. Система электроприводов на основе асинхронных двигателей с устройством плавного пуска ТРН-АД.

1.5.4. Система электроприводов на основе асинхронных двигателей с фазным ротором синхронизированных с сетью.

1.6. Постановка задачи исследования.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ВОЛОЧИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА.

2.1.Система электроснабжения волочильного цеха.

2.2. Разработка модели системы электроснабжения волочильного отделения цеха ЦМС-СПО.

2.3. Планирование эксперимента и условия его проведения.

2.4. Результаты моделирования системы электроснабжения волочильного участка ЦМС-СПО.

2.5. Анализ результатов моделирования.

2.5.1. Анализ показателей работы ТП-27 ЦМС-СПО за сутки.

2.5.2. Анализ главных энергетических показателей РП за сутки.

2.6. Экономическая эффективность вариантов технических решений.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИНДИВИДУАЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ.

3.1. Разработка методики расчета емкости компенсирующего конденсатора для асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

3.1.1. Определение емкости компенсирующего конденсатора для получения заданного соэср ЭАД.

3.2. Методика расчета и исследований рабочих и механических характеристик асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для электроприводов волочильных станов.

3.2.1. Определение параметров схемы замещения ЭАД на основе известных параметров схемы замещения ТАД.

3.2.2. Определение сопротивления ветви намагничивания в схеме замещения ЭАД.

3.2.3. Алгоритм определения величины емкости компенсирующего конденсатора при реконструкции ТАД на ЭАД.

3.2.4. Расчет рабочих и механических характеристик ЭАД для волочильных станов.

3.3. Методика реконструкции традиционных асинхронных двигателей на энергосберегающие асинхронные двигатели.

3.4. Расчет и исследование рабочих и механических характеристик энергосберегающих асинхронных двигателей.

3.5. Сравнительный анализ рабочих и механических характеристик реконструируемого и энергосберегающего двигателей.

3.6. Исследования рабочих и механических характеристик ЭАД.

3.6.1. Экспериментальные исследования характеристик ЭАД для электроприводов волочильного стана.

3.6.2. Экспериментальные исследования характеристик ЭАД на волочильном стане.

3.6.3. Экспериментальные исследования спектра частот потребляемого тока

ЭАД на волочильном стане UDZSA2500-3.

4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ НА ОСНОВЕ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИНДИВИДУАЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ ВОЛОЧИЛЬНЫХ СТАНОВ.

4.1. Исследование и сравнение способов плавного пуска двигателей электропривода волочильных станов.

4.2. Разработка алгоритмов системы управления электроприводами на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности n-блочного волочильного стана.

4.3. Разработка функциональной схемы системы управления n-блочного волочильного стана.

4.4. Моделирование разработанного алгоритма системы управления волочильным станом.

Выводы и заключения по диссертационной работе.

Актуальность проблемы. Метизные предприятия России производят порядка двух миллионов тонн продукции в год. Исходным материалом для метизной продукции является проволока, которая проходит обработку на волочильных станах крупного волочения. Тенденцией мирового сообщества является снижение потребления электроэнергии с целью эффективного использования ресурсов и повышения конкурентоспособности продукции. Поэтому существует проблема повышения энергоэффективности метизных предприятий.

Одной из причин снижения энергоэффективности метизных предприятий является использование в электроприводах волочильных станов традиционных асинхронных двигателей (ТАД), потребляющих из электросети реактивную мощность индуктивного характера. Это существенно снижает коэффициент мощности (соБф), а следовательно, энергетический коэффициент полезного действия, равный произведению электрического к.п.д. и коэффициента мощности.

Эффективным методом снижения энергозатрат является компенсация реактивной мощности. Для этого применяются различные способы и технические устройства. Например, подключение к электросети компенсирующих конденсаторов, специальных полупроводниковых управляемых компенсаторов, синхронных машин, работающих в режиме генерирования реактивной мощности емкостного характера и др. Однако их технико-экономическая эффективность проявляется преимущественно в электрических сетях высокого напряжения 6/10 кВ и более. Вместе с тем, наибольшие потери электрической энергии от реактивных токов имеют место в электрических сетях напряжением 0,4 кВ, от которых питаются до 80% асинхронных двигателей. В системах электроснабжения 0,4 кВ метизного производства зачастую отсутствуют компенсаторы реактивной мощности (КРМ). Поэтому потери электроэнергии от реактивных токов составляют 20 - 36% от общих потерь.

Степень научной разработанности проблемы. Повышению энергоэффективности предприятий, в том числе метизного производства, технологических агрегатов и рабочих машин посвящены научные труды многих ученых: Ильинский Н.Ф., Копылов И. П., Рожанковский Ю.В., Веников В.А., Бра-славский И .Я., Зюзев A.M. и др.

Целью работы является снижение потерь электроэнергии в низковольтных промышленных сетях, питающих волочильное производство, за счет повышения коэффициента мощности асинхронных электроприводов волочильных станов. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие главные задачи:

1. Анализ потерь электроэнергии в системах электроснабжения и электроприводах волочильных станов метизного производства и определение оптимальных путей снижения потерь электроэнергии.

2. Разработка методики расчета параметров энергосберегающих асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности (ЭАД) при их создании путем реконструкции существующих двигателей.

3. Создание опытно-промышленных вариантов электроприводов на основе ЭАД для волочильного стана.

4. Экспериментальные исследования энергоэффективности созданных электроприводов.

5. Разработка и исследование системы управления электроприводами на основе ЭАД для волочильных станов с использованием одного устройства плавного пуска.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались: теория электрических цепей; теория электрических машин; методы компьютерного моделирования; математические методы обработки информации; методы цифровой обработки аналоговых сигналов; методы экспертных оценок; методы эквивалентирования электрических нагрузок; экспериментальные методы; специальное программное обеспечение.

Обоснованность и достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается строгим выполнением математических преобразований; принятием корректных допущений; подтверждением данных моделирования экспериментальными результатами; применением современных математических моделей и пакетов программ.

Научная новизна работы:

1. Представлен комплексный подход к исследованию электрических потерь в системах электроснабжения и электроприводах волочильного производства. Он отличается от известных детализацией элементов системы электроснабжения и электроприводов волочильных станов, учетом электрических параметров (активное, индуктивное, емкостное сопротивления шинопрово-дов, кабелей, силовых проводов и д.р.) каждого участка системы электроснабжения, топологии расположения волочильных станов, коэффициентов загрузки электрооборудования и графиков работы волочильного цеха.

2. Получены зависимости для расчетов емкости компенсирующего конденсатора ЭАД. Основное отличие заключается в определении емкости компенсирующего конденсатора с учетом всех параметров схемы замещения двигателя и его коэффициента загрузки.

3. Разработана методика расчета параметров ЭАД при реконструкции ТАД в условиях электроремонтных цехов и предприятий.

4. Разработана компьютерная программа для определения параметров схемы замещения, рабочих и механических характеристик ЭАД при их создании путем реконструкции традиционных асинхронных двигателей. Отличительной особенностью программы является наличие в ней расчетного модуля, позволяющего рассчитывать и визуально наблюдать изменение характеристик при регулировании параметров схемы замещения' двигателя в заданных диапазонах.

Практическая значимость результатов работы.

1. Проведенные исследования электрических потерь в системах электроснабжения и электроприводах волочильного производства позволяют оценить эффективность использования электроэнергии в зависимости от параметров силовых трансформаторов, схемы электроснабжения, электрических нагрузок, коэффициента загрузки электрооборудования и графиков работы волочильного цеха.

2. Полученные зависимости для расчетов емкости компенсирующего конденсатора ЭАД позволяют определить оптимальную емкость компенсирующего конденсатора до реконструкции традиционного асинхронного двигателя на энергосберегающий вариант.

3. Разработанная компьютерная программа для определения параметров схем замещения, рабочих и механических характеристик ЭАД позволяет формировать рабочие и механические характеристики до реконструкции традиционного двигателя.

4. Разработанная система управления электроприводами волочильного стана на базе одного устройства плавного пуска для всех его электродвигателей позволяет получить наилучшие энергетические показатели в функции от их загрузки.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены: в ОАО «ММК-МЕТИЗ» в виде математической модели и рекомендаций по снижению потерь электроэнергии в системах электроснабжения и электроприводах волочильного производства с целью повышения его энергоэффективности; в ООО «Магнитогорские услуги» в виде инженерных расчетов и зависимостей для осуществления реконструкции традиционных асинхронных двигателей на ЭАД; в сталепроволочном отделении цеха металлических сеток ОАО «ММК-МЕТИЗ» в виде опытно-промышленных электроприводов волочильного стана на основе ЭАД. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Подход к исследованию электрических потерь в системах электроснабжения и электроприводах волочильного производства, отличающийся от известных детализацией элементов системы электроснабжения и электроприводов волочильных станов, топологии расположения волочильных станов, коэффициентов загрузки электрооборудования и графиков работы волочильного отделения цеха.

2. Параметры схемы замещения, рабочие и механические характеристики ЭАД для опытно-промышленного энергосберегающего электропривода волочильных станов, полученные с помощью созданной программы для ЭВМ.

3. Зависимости для расчета параметров ЭАД при реконструкции традиционных двигателей в условиях электроремонтных цехов и предприятий.

4. Логические уравнения, положенные в основу функциональных блоков системы управления электроприводами волочильного стана с одним устройством плавного пуска.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: 62-й научно-технической конференции ГОУ ВПО «МГТУ», Магнитогорск, 2003 г.; международной научно-технической конференции молодых специалистов, инженеров и техников ОАО «ММК», Магнитогорск, 2003 г.; десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов МЭИ, Москва, 2004 г.; международной научно-технической конференции молодых специалистов, инженеров и техников ОАО «ММК», Магнитогорск, 2004 г.; 1 международной научно-практической конференции «Интехмет-2008», Спб., 2008 г.; 66-ой научно-технической конференции ГОУ ВПО «МГТУ», Магнитогорск, 2008 г.; международной конференции «Электроэнергетика и автоматизация в металлургии и машиностроении», Магнитогорск, 2008 г; 67-й научно-технической конференции ГОУ ВПО «МГТУ», Магнитогорск, 2009 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных статей, докладов и тезисов, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 178 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 72 наименований, приложений, включает 82 рисунка и 43 таблицы.

Выводы и заключения по диссертационной работе

1. Проанализировав несколько вариантов технических решений, направленных на уменьшение электрических потерь в системах электроснабжения и электроприводах волочильного производства, было показано, что асинхронный двигатель с индивидуальной компенсацией реактивной мощности обладает неоспоримым преимуществом по сравнению с традиционных асинхронным двигателем. ЭАД обладает увеличенным к.п.д. на 3 - 5 %, потребляет меньший ток при одинаковой механической нагрузке на валу от 8,9 до 9,1 %; требует меньшей емкости компенсирующих конденсаторных батарей по сравнению с обычными двигателями такой же мощности; обладает коэффициентом мощности со8ф=1,0.

2. Разработанная методика расчета параметров асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности при их создании путем реконструкции существующих двигателей позволяет сделать выводы о целесообразности реконструкции конкретного традиционного асинхронного двигателя. Разработанная компьютерная программа для ЭВМ позволяет наглядно видеть рабочие и механические характеристики будущего двигателя.

3. В ОАО «ММК-МЕТИЗ» и ООО «МАГУС» были разработаны и изготовлены в электроремонтном цехе энергосберегающие асинхронные электродвигатели с фазным ротором типа ЗМЯК-55 (К-компенсированный) с номинальными данными Рн=55кВт, и„=1458об/мин, £/„=380/220В, //н=94А,

ЮЗА, созф=1,0. Двигатели изготовлены путем реконструкции статоров асинхронных двигателей с фазным ротором типа 5!М??-55 Р„=55кВт, л„=1450об/мин, С/Н=380/220В,//„=103А, /2н=103А, созср=0,86. 4. Экспериментальные исследования энергоэффективности созданного электропривода показали:

1. Максимальные пусковые токи ЭАД снижаются на 18-23% при одинаковом времени разгона стана и составляют 449 - 493 А при одинаковом времени разгона стана и одинаковой мощности сравниваемых двигателей.

2. В установившемся режиме волочения проволоки ток, потребляемый из электросети электроприводами на основе ЭАД, составляет 60 - 65 А, что на 20-22 % ниже, по сравнению с токами потребляемыми электроприводами на базе ТАД.

3. Уменьшение пусковых и установившихся токов электроприводов на основе ЭАД позволяет уменьшить удельный расход электроэнергии на волочение проволоки на 10-12,5% и уменьшить число выходов из строя асинхронных двигателей по причине перегрева.

4. Разработка и исследование систем управления электроприводами на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для волочильных станов с использованием одного устройства плавного пуска показавшая себя экономически более выгодной по сравнению с системами управления построенными с индивидуальными устройствами плавного пуска.

Результаты диссертационной работы были переданы:

- в ОАО "ММК-МЕТИЗ" в виде рекомендаций по снижению потерь электроэнергии в системах электроснабжения и электроприводах волочильного производства с целью повышения его энергоэффективности;

- в сталепроволочном отделении цеха металлических сеток (ЦМС-СПО) ОАО «ММК-МЕТИЗ» в виде опытно-промышленных электроприводов волочильного стана на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности;

- в ООО «Магнитогорские услуги» (ООО «МАГУС») в виде инженерных расчетов и зависимостей для осуществления реконструкции традиционных асинхронных двигателей на асинхронные двигатели с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

1. Аналитический обзор состояния рынка метизной и калибровочной продукции в 2007 году/ Е.А. Слабожанкин // ОАО «ММК-МЕТИЗ». Управление маркетинга. 2008, 43 с.

2. Экспериментальные исследования электроприводов волочильного стана на основе энергосберегающих асинхронных двигателей / Р.Г. Мугалимов, А.Р. Губайдуллин, А.Р. Мугалимова// Изв. вузов. Электромеханика. 2009, №1. С. 43-47.

3. О необходимости корректирования методики компенсации реактивной мощности в электрических сетях напряжением до 1000 В / Г.Я. Вагин, С.Н. Юртаев // Промышленная энергетика. 2008, №5. С. 31-40.

4. Радионов A.A. Автоматизированный электропривод станов для производства стальной проволоки. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2007. - 311 с.

5. Юхвец И.А. Волочильное производство. Учебник. 2е изд. - М.: Металлургия, 1965. - 374 с.

6. Оборудование машиностроительных предприятий: Учебник / А. Г. Схир-тладзе, В. И. Выходец, Н. И. Никифоров, Я. Н. Отений / ВолгГТУ, Волгоград, 2005.- 128 с.

7. Волочильные станы фирмы "Грюна". Техническая документация. Карл-Маркс-Штат: "Грюна", 1991. 109 с.

8. Волочильщик проволоки. Красильников JI.A., Лысенко А.Г. Учеб. пособие для СПТУ. Зе изд. М.: Металлургия, 1987. - 320 с.

9. Каюков A.C., Шубин И.Г., Пыхтунова C.B. Барабанные волочильные машины: Учеб. пособие. Магнитогорск: МГТУ, 2004. - 98 с.

10. Каюков A.C., Шубин И.Г., Пыхтунова C.B. Барабанные волочильные машины: Учеб. пособие. Магнитогорск: МГТУ, 2004. - 98 с.

11. Перлин И.Л. Теория волочения. М.: Металлургия, 1971. - 448 с.

12. Ганнель В.Я. Электропривод волочильных станов и канатных машин. -М.: Металлургиздат, 1962. 175 с.

13. Харитонов В.А., Зюзин В.И., Белан А.К. Ресурсосбережение при производстве проволоки: Учеб. пособие. Магнитогорск: МГТУ, 2003. - 194с.

14. Гун Г.Я. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением: Учебное пособие для вузов. М.: Металлургия, 1983.

15. Тюрин В.А., Мохов А.И. Теория обработки металлов давлением: Учебник для вузов / Под ред. проф. В.А. Тюрина. Волгоград: РПК «Политехник», 2000.

16. Красильщиков Р.Б. Нагрев при холодном волочении проволоки. М., Металлургиздат, 1962. 87с.

17. Крупович В.И. Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическим процессом. Зе изд. -М.: Энергоиздат, 1982. - 416с.

18. Губайдуллин А.Р., Мугалимов Р.Г. К вопросу выбора мощности электродвигателя волочильного стана //Молодежь. Наука. Будущее. Вып.2: Сб. науч. Тр. студентов/ Под ред. Л.В. Родионовой. Магнитогорск: МГТУ, 2004. -249-252.

19. А. А. Ермилов. Основы электроснабжения промышленных предприятий. Четвертое изд. перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1983, 198 с.

20. Справочник по электрическим машинам: В 2 т./ Под общ. ред. И. П. Ко-пылова и Б. К. Клокова. Т. 1. — М.: Энергоатомиздат, 1988.—456 с: ил.

21. Радионов A.A., Усатый Д.Ю., Николаев A.A. Устройство для плавного пуска асинхронных двигателей волочильных станов // Электротехнические системы и комплексы №8. Магнитогорск: МГТУ, 2004. - с. 127-132.

22. Шамис М.А., Альтшуллер М.И. Устройство плавного безударного пуска высоковольтных двигателей переменного тока // Промышленная энергетика. -2002. -№12. -С. 31-33.

23. Анисимов В.А., Горнов А.О. Особенности тиристорных преобразователей напряжения для электроприводов механизмов массового применения // Промышленная энергетика. 1990. - №10. - С. 19-23.

24. Загорский А.Е., Захарова З.А., Пар И.Т. Тиристорные устройства для управления низковольтными электрическими двигателями // Промышленная энергетика. 1996. - №8. - С. 16-19.

25. Браславский И.Я. Асинхронный полупроводниковый электропривод с параметрическим управлением. -М.: Энергоатомиздат, 1988. -224с.

26. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода / Л.П. Петров, O.A. Андрющенко, В.И. Капинос и др. М.: Энерго-атомиздат, 1986. - 200с.

27. Модернизация электропривода волочильного стана магазинного типа с использованием тиристорного регулятора напряжения/ A.C. Макурин: авто-реф. дис. . канд. тенх. наук: 17.06.05.//МЭИ М.: 2005.-20 с.

28. Синхронизированный асинхронный электропривод с частотным управлением / В.Н. Мещеряков, A.A. Соломатин// Воронежский инновационно-технологический центр. Электротехнические комплексы и системы управления. 2006, №2. С. 11-16.

29. Осин И.Л. Электрические машины. Синхронные машины / И.Л. Осин, Ю.Г. Шакарян. М.: Высш. шк. - 1990. - 304 с.

30. Сарваров A.C. Разработка и исследование асинхронных каскадов скиповых подъемников: автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.09.03. // МЭИ М.: 1982.

31. Патент 2112307 RU, МКИ6Н02 К 17/28. Асинхронная компенсированная электрическая машина. Савицкий А.Л., Мугалимов Р.Г., Савицкая Л.Д.// Открытия. Изобретения. 1998. №15.

32. Ильинский Н.Ф. Рожанковский Ю.В., Горнов А.О. Энергосбережение в электроприводе //Энергосберегающая технология электроснабжения народного хозяйства. /Под ред. В.А. Веникова. -М.:Высш. шк., 1989.-129с.

33. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники. Изд. 6-е, перераб. и доп. Учебник для студентов энергетических и электротехнических вузов. М., «Высш. Школа», 1973. 752 с. с ил.

34. Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. М.: Радио и связь, 1981. - 224 с.

35. М. Хернитер. Multisim 7. Современная система компьютерного моделирования и анализа схем электронных устройств. М.: ДМК Пресс, 2006. 492 с.

36. Расчет установившегося режима системы электроснабжения промышленного предприятия методом последовательного эквивалентирования / В.А. Игуменщев, И.А. Саломатов, Ю.П. Коваленко //Электричество. 1986. - С. 7-12.

37. Лейтес JI.B. Эквивалентная схема двухобмоточного трансформатора: опыты холостого хода и короткого замыкания // Вопросы трансформаторо-строения.- М.: Энергия.- Тр. ВЭИ, вып. 79.- 1969.

38. Ермаков С. М., Жиглявский А. А., Козлов В. П.,Меласс В. Б. и др. Математическая теория планировании эксперимента, сер. «Справочная математическая библиотека», М.: Наука, 1983 г.

39. Мугалимов Р.Г. Математическая модель энергосберегающего индивидуально-компенсированного асинхронного двигателя. Известия вузов. Электромеханика №2, 2004, с. 69-73.

40. Г. Корн и Т. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1970.- 720 с.

41. Яцкин, Н. И. Алгебра: Теоремы и алгоритмы: учеб. пособие / Н. И. Яцкин. — Иваново : Иван. гос. ун-т, 2006. — 506 с.

42. Свидетельство Российской Федерации о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009615464.

43. Радин В.И., Брускин Д.Э., Зорохович А.Е. Электрические машины: Асинхронные машины: Учеб. для электромех. спец. вузов/ Под ред. И.П. Копы-лова М.; высшая школа, 1988. - 328 с.

44. Вольдек А. И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп. JL: «Энергия», 1974. 840 с. ил.

45. Проектирование электрических машин. / Под редакцией И.П. Копылова. -М.: Энергия, 1980.-494 с.

46. Гейлер JI. Б. Основы электропривода. М.: «Высш. школа», 1972. 608 с.ил.

47. Культин Н.Б. Самоучитель. Основы программирования в Delphi 7. 2 изд., перераб.и доп. BHV, 2009, 640 с.

48. Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р. Экспериментальные исследования энергосберегающего электропривода волочильного стана UDZSA2500/3 /Материалы 66-ой научно-технической конференции: Сб. докл. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. Т.2. С. 47-50.

49. Глазырин А.С. Аналитические методы математического моделирования электромеханических систем: учебное пособие /А.С. Глазырин. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - 204 с.

50. Дмитриев В.Н. Проектирование и исследование асинхронных двигателей малой мощности: Учебное пособие. Ульяновск: УлГТУ, 2006. - 70 с.

51. Несговорова Е. Д. Опытное определение параметров маломощных асинхронных двигателей// Изв. вузов. Электромеханика. №11, 1962.

52. Опыт создания энергосберегающих электроприводов волочильных станов / Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р., Мугалимова А.Р., Кретов С.В. // Промышленная энергетика. 2009, №7. С. 11-15.

53. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы.М.: Энерго-атомиздат, 1985. -438 с.

54. А. А. Афонский, В. П. Дьяконов Измерительные приборы и массовые электронные измерения/ М.: Солон-Пресс, 2007, 548 С.

55. Г. Нуссбаумер. Быстрое преобразование Фурье и алгоритмы вычисления сверток. Пер. с англ. М. Радио и связь, 1985. — 248 е., ил.

56. Прайс-лист на устройства плавного пуска. URL: http://www.privod.info . Дата обращения: 01.09.2009.

57. Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации: учеб. Пособие для студ. высш. учеб. заведений/ М.П. Белов, О.И. Зементов, А.Е. Козярук и др.; под ред. В.А. Новикова, A.M. Чернигова М.: Издательский центр «Академия», 2006 г. - 368 с.

58. Исследование потерь электроэнергии в системе электроснабжения волочильного производства с целью повышения его энергоэффективности»

59. Краткое описание выполненной работы

60. Экономия электрической энергии по волочильном}' отделению цеха ЦМС-СПО ОАО "ММК-МЕТИЗ" составляет 300 — 400 тысяч кВт час в год. При стоимости электрической энергии 1,75 руб./кВт час экономия составит 525 700 тысяч р> блей в год.

61. Дата практического внедрения 03.07 2009 г.

62. Зам. начальника ЦМС ОАО "ММК

63. Схему алюритма реконструкции традиционного асинхронного двигателя иа энер! осберегающий вариант;

64. Формулы для расчета параметров схем замещения традиционного и энергосберегающего двигателей;

65. Формулы для расчета емкости компенсирующего конденсатора;4. Компьютерная программа;

66. Примеры расчета параметров реконструируемого двигателя ЭМЯ250-4;

67. Рабочие и механические характеристики двигателей до и после реконструкции;

68. Методика и компьютерная программа используются для реконструкции традиционных асинхронных двигателей на двигатели с индивидуальной компенсацией реактивной мощности при их ремонте в электроремонтном цехе ггоедпоиятия.реактивной мощности

69. Кр.икос описание методики инженерных расчетов1. Полученный результат1. Научный руководитель НИР

70. Начальник элсктроремошного цеха1. Аспирант МГТУЛ-С г1. У. ••" ;.м ■ .Л.•г.".1. Кг1. Г'*•" I . ДЕТЕ. ' :.-СТВОг* 1'и 5 г: »;' ! И«»(( ¡и иЦ'!;иинН1 ! 11) I > « II:} Ы !!« ? II \ | '1..м» 2оошн»<шг-*