автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование пускорегулирующих устройств высоковольтного электропривода вентиляторной станции

На правах рукописи

ВЕЧЕРКИН Максим Викторович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ВЕНТИЛЯТОРНОЙ СТАНЦИИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2006

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

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

САРВАРОВ Анвар Сабулханович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

МИКИТЧЕНКО Анатолий Яковлевич

кандидат технических наук, доцент КОРНИЛОВ Геннадий Петрович

Ведущее предприятие - ОАО «Магнитогорский металлургический

комбинат», г. Магнитогорск

Защита состоится «21» декабря 2006 г. в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета К. 212.111.02 при Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, - ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова.

Автореферат разослан «/¿^ » ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Значительное потребление электроэнергии тур-бомеханизмами заставляет искать пути, позволяющие снизить потери, связанные с несовершенными способами регулирования их производительности. Проблема перерасхода электроэнергии особенно остро стоит для групп тур-бомеханизмов, оснащенных мощными высоковольтными электроприводами и работающих параллельно на общую разветвленную сеть — вентиляторных и компрессорных станций. Сложность аэродинамических процессов происходящих при этом в магистралях воздуховодов и многообразие возможных ситуаций не позволяет получить универсального решения проблемы перерасхода электроэнергии. Решать вопрос о выборе рационального способа регулирования производительности приходится индивидуально в каждом конкретном случае с учетом типа турбомеханизма и условий его работы.

Исследования, проведенные для вентиляторной станции ЛПЦ-10 ОАО «ММК» показали, что потери электроэнергии вследствие отсутствия эффективной системы регулирования производительности доходят до 20...25% от общего потребления электроэнергии вентиляторами. Снижение этих потерь возможно при регулировании суммарной производительности вентиляторной станции по потребностям производства. В настоящее время такое регулирование осуществляется вручную, не чаще одного раза в смену, с помощью осевого направляющего аппарата вентиляторов. Очевидно, что энергосберегающий эффект подобного регулирования чрезвычайно низок. Серьезным препятствием на пути реализации эффективных способов регулирования являются большие капитальные затраты требуемые для модернизации высоковольтных электроприводов переменного тока, которыми оснащены вентиляторы.

В связи с этим, актуальной является задача выбора энергетически эффективного способа регулирования производительности, при котором будут минимизированы неоправданные потери электроэнергии. Кроме этого, для выбранного способа регулирования необходимо выбрать такие средства его технической реализации, которые позволят дистанционно изменять производительность вентиляторной станции по потребностям производства и не потребуют больших капитальных затрат на их внедрение.

Цель работы. Повышение технико-экономических показателей работы вентиляторной станции за счет выбора рационального способа регулирования производительности и улучшения условий пуска высоковольтных асинхронных электроприводов вентиляторов.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:

1. Анализ вариантов модернизации высоковольтных асинхронных электроприводов вентиляторов и средств их технической реализации на основе

технико-экономического сопоставления возможных способов регулирования производительности вентиляторной станции.

2. Разработка математической модели вентиляторной станции, учитывающей аэродинамические и энергетические характеристики вентиляторов и параметры сети воздуховодов, позволяющей определить энергоэффективность процесса подачи воздуха к потребителю при различных способах регулирования производительности.

3. На основе исследований на модели режимов работы вентиляторной станции и определения энергетических характеристик различных способов регулирования (частотного управления электроприводами вентиляторов, с помощью осевого направляющего аппарата, ступенчатого регулирования включением различного количества вентиляторов и других возможных способов) осуществить выбор рационального способа с учетом технологических требований.

4. Разработка нового трансформаторно-тиристорного пускового устройства для реализации «мягкого» пуска высоковольтных асинхронных электроприводов.

5. Разработка математической модели системы «асинхронный двигатель - трансформаторно-тиристорное пусковое устройство», позволяющее исследовать электромеханические свойства электропривода в пусковом режиме.

6. Определение основных характеристик пускового режима на основе исследований на модели электромеханических процессов в системе «асинхронный двигатель - трансформаторно-тиристорное пусковое устройство».

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались основные положения теории электромеханического преобразования энергии, теории электропривода и теории турбомеханизмов. Теоретические исследования проводились с использованием аналитических и численных методов решения алгебраических и дифференциальных уравнений и систем. Моделирование работы вентиляторной станции велось в среде Ма£ЬаЬ с использованием встроенных функций аппроксимации и интерполяции данных. Исследование возможностей пускового устройства проводилось в расширении 81тРо\уег8151ет5 среды Ма&аЬ с применением стандартных библиотечных блоков и встроенных средств визуализации данных.

К защите представляются следующие основные положения:

1. Методика моделирования вентиляторной нагрузки асинхронных электроприводов, основанная на аппроксимации паспортных аэродинамических характеристик вентиляторов с применением программных методов интерполяции данных.

2. Методика сравнительного анализа энергетической эффективности различных способов регулирования производительности вентиляторной

станции, основанная на использовании аппроксимированных характеристик вентиляторов и электрической схемы замещения сети воздуховодов.

3. Результаты анализа, проведенного согласно предложенной методике, показывающие высокую энергетическую эффективность «старт-стопного» (изменением количества работающих вентиляторов) регулирования в сочетании с регулированием угла поворота лопаток осевого направляющего аппарата вентиляторов.

4. Силовая схема трансформаторно-тиристорного высоковольтного пускового устройства.

5. Математическая модель электропривода, реализующая пусковые режимы в системе «трансформаторно-тиристорное пусковое устройство -АД».

6. Результаты теоретических исследований, полученные на математической модели, позволяющие определить основные характеристики пускового режима электропривода с трансформаторно-тиристорным пусковым устройством.

7. Параметрический закон изменения угла управления тиристорным преобразователем напряжения, обеспечивающий уменьшение кратности пускового тока высоковольтного электродвигателя и амплитуды переходного электромагнитного момента до безопасных значений и позволяющий минимизировать время пуска.

Научная новизна: В процессе решения поставленных задач были получены следующие новые научные результаты:

1. Предложена методика моделирования вентиляторной нагрузки асин-

хронных электроприводов, основанная на аппроксимации паспортных аэродинамических характеристик вентиляторов с применением программных методов интерполяции данных и основанная на ней методика расчета энергетических характеристик вентиляторной станции с использованием электрической схемы замещения сети воздуховодов.

2. Разработана новая силовая схема трансформаторно-тиристорного вы-

соковольтного пускового устройства и математическая модель электропривода, реализующая пусковые режимы в системе «пусковое устройство-АД».

3. В результате теоретических исследований на модели определены ос-

новные характеристики пускового режима электропривода с трансформаторно-тиристорным пусковым устройством.

4. Предложен закон изменения угла управления тиристорным преобра-

зователем напряжения пускового устройства, обеспечивающий уменьшение кратности пускового тока высоковольтного электродвигателя и амплитуды переходного электромагнитного момента

до безопасных значений и позволяющий минимизировать время пуска.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенный способ регулирования производительности вентиляторной станции способствует достижению экономии электроэнергии и снижению затрат на ремонт электроприводов вентиляторов. Применение трансформаторно-тиристорного пускового устройства в сочетании с регулированием угла поворота осевого направляющего аппарата является наименее затратным вариантом модернизации и позволяет получить большую энергетическую эффективность работы станции, чем частотное регулирования скорости вращения вентиляторов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной тринадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» (г. Екатеринбург, 2005 г.); XII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (г. Томск, 2006 г.); Третьей Всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях» (г. Новокузнецк, 2006 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 8 печатных трудах, в том числе 5 статьях и 3 материалах конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 60 наименований и приложений. Работа изложена на 119 страницах, содержит 58 рисунков и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель и основные задачи работы.

В первой главе проведен краткий обзор существующих технических средств, применяемых в асинхронных электроприводах турбомеханизмов. Рассмотрены основные особенности электроприводов вентиляторов, определяющие пути их модернизации. Приведены некоторые типы современных преобразователей частоты и пусковых устройств, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями. Описано текущее состояние электроприводов вентиляторов и приведены варианты их модернизации.

Обзор показал, что спектр возможностей, заложенных в современных преобразователях частоты часто избыточен для решения проблем энергосбережения. Применительно к вентиляторной станции оснащение электроприводов вентиляторов преобразователями частоты связано с большими капитальными затратами. При этом для данного технологического имеется возможность реализации «старт-стопного» регулирования производительности и регулирования осевыми направляющими аппаратами вентиляторов (ОНА). Энергетическая эффективность и величина капитальных затрат для этих способов неодинаковы. Целесообразность применения того или иного варианта может быть определена только на основе исследований с учетом всех особенностей данного технологического объекта.

Вторая глава посвящена сравнительному анализу способов управления производительностью вентиляторной станции. В настоящее время нет эффективных методик, позволяющих проводить такой анализ для вентиляторных станций. Распространенный графический метод анализа практически не поддается автоматизации из-за необходимости многочисленных графических построений и требует большого количества исходных данных.

В главе предлагается методика анализа, основанная на методе электрического моделирования. Сущность методики заключается в следующем:

1. Паспортные аэродинамические характеристики вентилятора аппроксимируются выражениями:

Н = + + схсог (1)

Рмех = «2 + Ъ^О, + СгСОЪ (2)

ЯН = +ь[сод2+с1со20 ^ (3)

Рмех а2содг+ЬхФ2д + схсог

где: Н — полное давление вентилятора, Па; () - его производительность, м*/с; Рмех — мощность на валу Вт; со - скорость двигателя, рад/с; аи Ьи с1у а2, Ъг, с2 -коэффициенты, зависящие от угла поворота лопаток ОНА. Для задания этих зависимостей используется стандартная функция среды МаЛаЬ, реализующая сплайн-интерполяцию табличных данных.

2. Задается число одновременно работающих вентиляторов.

3. По чертежам вентиляторной станции и сети воздуховодов определяется вид электрической схемы замещения (рис.1а, б). Каждому участку сети соответствует эквивалентное сопротивление, соединению участков — узел. Согласно справочным данным и известным расчетным формулам вычисляются значения сопротивлений отдельных участков сети. Вентилятор на схеме представляется источником ЭДС.

4. По известной электрической схеме замещения составляется система уравнений согласно правилам электрического моделирования вентиляционных сетей:

¿3=0

(=1

|]н,+н0 = ±ягд?

где: - давление создаваемое вентилятором в замкнутом контуре, Па', Но — противодавление, Па\ - сопротивление участка.

ш 0/

к .к 1

112 <2*

Ю <23

— —

а С; 1 а

»2 н4

г Я ф) г я

I

Л2'| М — Н2 \Ь НЗ

Л2| I Л5 МЗ

1 *<(]

/ 04

8 Я5\ к

а) б)

Рис. 1 Упрощенная структура сети воздуховодов и эквивалентная схема замещения

5. Задаются значения расхода воздуха каждой печи исходя из реальных потребностей производства.

6. Полученная система нелинейных уравнений решается численными методами в пакете Ма&аЬ. Неизвестными в системе являются рабочие точки (давление и производительность) вентиляторов.

7. Для полученных рабочих точек находятся соответствующие им характеристики. В случае регулирования ОНА определяется такой угол поворота лопаток, при котором искомая характеристика пересекает рабочую точку. Аналогично, для частотного регулирования находится соответствующее значение скорости двигателя. Угол поворота лопаток определяется численными методами, а скорость рассчитывается аналитически как положительный корень уравнения (1):

2с,

где: -давление вентилятора в рабочей точке, Па\ ()в — производительность вентилятора в рабочей точке, мг/с\ аи Ьи Сь —коэффициенты полинома (1).

8. По известным значениям производительности, давления и угла поворота лопаток определяются согласно (2) и (3) мощность на валу двигателя и КПД вентилятора при регулировании ОНА для номинальной скорости. Рассчитывается мощность, потребляемая из сети с учетом КПД двигателя.

9. По известной производительности, давлению и скорости двигателя определяются согласно (2) и (3) мощность на валу двигателя и КПД вентилятора для частотного регулирования при открытом ОНА. Рассчитывается мощность, потребляемая из сети с учетом КПД двигателя и частотного преобразователя.

10. Пункты 2-8 повторяются для разных значений расхода воздуха в пределах рабочего диапазона и при различном числе одновременно работающих вентиляторов.

11. По результатам расчетов строятся: а) графики зависимостей мощности, потребляемой вентиляторной станцией, от ее суммарной производительности; б) графики зависимостей КПД отдельного вентилятора от его производительности.

12. Производится сравнительная оценка потребляемой мощности и КПД для рабочих режимов вентиляторов, делается вывод о преимуществе того или иного способа с точки зрения энергосбережения и оцениваются границы рабочих диапазонов вентиляторов.

Согласно предложенной методике была проведена оценка способов регулирования производительности вентиляторной станции ЛПЦ-10 ОАО «ММК».

Графики, построенные по результатам расчетов (рис.2) показали, что хороший энергосберегающий эффект, не уступающий частотному регулированию, дает регулирование с помощью осевых направляющих аппаратов (кривая 1 и кривая 2). У вентиляторов ВВН-20 осевой направляющий аппарат оснащен специальным электроприводом поворота лопаток, что позволяет автоматизировать процесс регулирования.

Наибольшего эффекта энергосбережения можно добиться при комбинированном регулировании, сочетающим «старт-стопное» и ОНА регулирование (кривые 2, 3 и 4). Необходимость комбинирования двух способов связана с тем, что «старт-стопное» регулирование обеспечивает только ступенчатое регулирование производительности, что не всегда допустимо по условиям производства. В сочетании с регулированием ОНА обеспечивается

плавная регулировка производительности во всем рабочем диапазоне вентиляторной станции.

В связи с тяжелыми условиями прямого пуска мощных высоковольтных АД, «старт-стопное» регулирование требует применения устройств «мягкого» пуска. Внедрение таких устройств позволяет получить дополнительный экономический эффект, связанный с экономией затрат на ремонт двигателей и увеличением их ресурса.

Сравнение данных о реально расходуемой мощности и расчетов согласно описанной методике позволило сделать приближенную оценку потерь электроэнергии на вентиляторной станции. Оценка производилась на основе реальных данных о расходе воздуха и электроэнергии за осенний период 2005 г. Выявлено, что потери складываются из двух составляющих:

1. Потери вследствие утечек воздуха в магистрали - 12-15%.

2. Потери вследствие нерационального управления производительностью вентиляторов - 20-25%.

Большая часть утечек воздуха обусловлена износом рекуператоров. Часть утечек связана с неплотным прилеганием лопаток ОНА неработающих вентиляторов. Для устранения этих утечек достаточно провести ремонт ОНА.

В третьей главе описана силовая схема трансформаторно-тиристорного пускового устройства, позволяющего обеспечить «мягкий» пуск асинхронного двигателя плавным изменением подводимого к его ста-торным обмоткам напряжения. В предложенном пусковом устройстве двига-

3600

1200 -1-i-1-1-1-1-

80 100 120 140 160 180 200 220

Производительность вентиляторной станции, м3/с

Рис.2 Мощность, потребляемая вентиляторной станцией, при различных способах регулирования производительности.

тель включается в цепь первичной обмотки трансформатора. Во вторичную обмотку трансформатора включается тиристорный преобразователь напряжения (ТПН) (рис.3 а). Вместо ТПН может быть использован мостовой выпрямитель (рис.3 б). На рисунках для простоты не показаны токоограничи-вающие сопротивления во вторичных обмотках.

При отсутствии управляющих импульсов на тиристорах трансформатор находится в режиме холостого хода. Его сопротивление достаточно велико и двигатель в этом случае остается неподвижным.

а) б)

Рис.3 Варианты силовых схем трансформатоно-тиристорного пускового устройства

Плавное уменьшение угла управления а от 180° до 0 приводит к открыванию тиристоров и росту тока в первичной и вторичной обмотках. Так как АД включен в цепь первичной обмотки, рост тока в ней приводит к разгону двигателя. Перевод трансформатора в режим короткого замыкания приведет к снижению напряжения на его первичных обмотках и одновременному росту напряжения на двигателе. По окончании разгона ток двигателя падает, а напряжение на его обмотках достигает номинального значения.

■X 2т г 2т

пускового устройства

Схема замещения пускового устройства показана на рис.4. В этой схеме трансформатор и двигатель представлены классическими Т-образными схемами замещения, а сопротивление 2!2н представляет собой тиристорный

преобразователь напряжения, подключенный к вторичной обмотке трансформатора.

Работоспособность пускового устройства исследовалась на асинхронном двигателе А02-42-4 (Р2к=5,5 кВт, /1н=11,ЗЛ, £/1н=380 В). Для экспериментальных исследований использовался трансформатор с рабочим напряжением равным напряжению сети и мощностью соизмеримой с мощностью двигателя.

Рис.5 Экспериментальные осциллограммы пуска двигателя А02-42-4

Осциллограммы на рис.5 были получены при плавном изменении (вручную) угла управления а. Пусковой ток двигателя в режиме холостого хода не превысил 1,5-кратного значения номинального тока.

Приведенные осциллограммы подтверждают принципиальную возможность реализации трансформаторно-тиристорного пускового устройства и его применения для пуска высоковольтных асинхронных двигателей.

Наиболее рациональным является использование трансформатора с напряжением в 2-3 раза меньшим напряжения сети. В этом случае даже при разомкнутой вторичной обмотке повышенное напряжение приводит к насыщению трансформатора и ток первичных обмоток может оказаться достаточным для начала разгона двигателя. Окончание разгона осуществляется переводом трансформатора в режим короткого замыкания с помощью ТПН.

В главе приведена стоимость трансформатора и сильноточных тиристоров, которые могут быть применены в пусковом устройстве. Показано, что стоимость пускового устройства в несколько раз ниже стоимости классических устройств «мягкого» пуска предлагаемых отечественными производителями. К недостаткам трансформаторно-тиристорного пускового устройства можно отнести отсутствие возможности реализации функции квазичастотного пуска, которая предусмотрена в пусковых устройствах на базе высоковольтных ТПН.

В конце главы приведен математический аппарат, используемый при моделировании асинхронных двигателей и трансформаторов и позволяющий реализовать компьютерную модель системы «пусковое устройство - АД».

Четвертая глава посвящена разработке и анализу компьютерной модели высоковольтного пускового устройства.

Модель построена в пакете БтиНпк (среда Ма^аЬ) и его расширении 81тРо\уег8уз1ет8 на основе стандартных библиотечных блоков. Моделирование велось для высоковольтного асинхронного двигателя ДАЗО-450У-4У1 (/у= 800 кВт, £/„=6000 В) которым оснащен вентилятор ВВН-20 и трансформатора ТМЗ (^бЗО кВА, их=3000 В).

Типичные осциллограммы, полученные при моделировании пуска двигателя в режиме холостого хода, приведены на рис.6. В процессе пуска угол управления тиристорами оставался неизменным.

В отличие от прямого пуска двигателя напряжение на статорных обмотках меняется со временем. По окончании разгона напряжение на обмотках достигает номинального значения.

к. <А)!

§ : :

i : : I ;

ШЩ.

~1-г

«bi^-i I i i

: : : t,C

. i4(B).......

. j

: \ ,

1 Л.(А)

а) ток и напряжение статорных обмоток и скорость двигателя

б) напряжение на первичной и ток вторичной обмоток трансформатора

Рис.6 Пуск АД при фиксированном угле а=110е

Графики на рис.6 б иллюстрируют изменения во времени напряжений и токов трансформатора. Весьма важным является тот факт, что характер изменения тока во вторичной обмотке практически совпадает с характером изменения тока двигателя. Это позволяет строить систему управления пуском с обратной связью по току вторичной обмотки, которая является низковольтной.

Аналогичные графики были построены и для других углов управления в диапазоне от 0 до 180°. Графики на рис.7 показывают зависимости кратности пускового тока k{ и времени пуска /п двигателя от угла управления тиристорами преобразователя напряжения.

Исследования показали, что пусковое устройство позволяет добиться существенного снижения величины ударного момента (рис.8). Согласно расчетам, при углах а > 140° амплитуда ударного момента не превышает значения номинального момента двигателя составляющего 5140 Нм.

Рис.8 Зависимость электромагнитного момента двигателя от времени

Особое внимание при исследовании модели было уделено влиянию вентиляторного характера нагрузки на пуск двигателя. Это связано с тем, что при пуске с неполным напряжением возможно установление режимов с пониженной скоростью вращения двигателя. При этом напряжение на обмотках двигателя не достигает номинального значения. Такие режимы крайне неблагоприятны, так как приводят к повышенному нагреву статорных обмоток. Чтобы этого избежать, необходимо подобрать соответствующие алгоритмы, позволяющие, с учетом особенностей пускового устройства, осуществить пуск двигателя с разгоном до номинальной скорости.

В начальный момент времени необходимо ограничить напряжение на двигателе до значения, при котором амплитуда ударного момента не превышает 1-2-х кратного значения номинального момента двигателя. Это возможно, если в начальный момент времени угол управления тиристорами лежит в диапазоне от 140° до 150°. Далее необходимо уменьшать угол управления по некоторому закону, при котором по окончании пуска скорость двигателя и напряжение на нем достигают номинальных значений. В простейшем случае закон изменения a(t) может быть линейным (рис.9 а). Такой закон может быть легко реализован аналоговой системой управления. Недостаток - ток при пуске может достигать (5-6)/„. В то же время у ведущих фирм-производителей пусковой ток не превышает 4/„ на любом этапе разгона.

Рис.9 Пуск двигателя при различных законах изменения угла управления

Соблюдение этого условия позволяет снизить влияние пуска АД на сеть электроснабжения. В данном случае этого можно добиться уменьшением скорости нарастания напряжения, однако это приводит к возрастанию времени пуска и увеличению термических потерь в двигателе.

Для уменьшения времени пуска, ограничения пускового тока и амплитуды ударного момента на заданных уровнях предлагается полиномиальный закон изменения угла управления от времени

«(/)= -0,0072^+0,3256Л-5,156/+140 Пусковые диаграммы полученные при пуске по такому закону показаны на рис.9 б. Наилучший результат может дать синтез системы управления с обратной связью по току статорной обмотки двигателя или вторичной обмотки трансформатора.

Проведенные в главе исследования показали, что характеристики пускового устройства позволяют использовать его для пуска мощных асинхронных электроприводов вентиляторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. С учетом современного технического состояния вентиляторной станции проведен анализ вариантов модернизации высоковольтных асинхронных электроприводов и сопоставление стоимостных показателей технических средств реализации возможных способов регулирования. В результате показана необходимость исследования производственных процессов в системе «вентиляторная станция — сеть воздуховодов».

2. На основе аппроксимации паспортных аэродинамических характеристик вентиляторов с применением специальных программных методов обработки данных разработана математическая модель вентиляторной станции, позволяющая исследовать технологический процесс подачи воздуха в методические нагревательные печи ЛПЦ-10 ОАО «ММК».

3. Разработана методика сравнительного анализа энергетической эффективности способов регулирования производительности вентиляторной станции с использованием аппроксимированных характеристик и электрической схемы замещения, на основе которой обоснована рациональность сочетания «старт-стопного» регулирования и регулирования угла поворота осевого направляющего аппарата вентиляторов.

4. Разработана силовая схема трансформаторно-тиристорного высоковольтного устройства «мягкого» пуска и математическая модель электропривода, реализующая пусковые режимы в системе «пусковое устройство-АД».

5. По результатам теоретических исследований, полученных на математической модели, определены основные характеристики пускового режима электропривода с трансформаторно-тиристорным пускателем. Получены зависимости кратности пускового тока и времени пуска асинхронного электродвигателя в функции угла управления преобразователем, подключенным к вторичной обмотке трансформатора.

6. Определен параметрический закон изменения угла управления тиристор-ным преобразователем напряжения, обеспечивающий ограничение кратности пускового тока высоковольтного электродвигателя на уровне не более 4/„, амплитуды переходного электромагнитного момента на уровне 1,5М„, и позволяющий минимизировать время пуска.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Вечеркин, М.В. Проблемы модернизации электроприводов ЦВС ЛПЦ-10 ОАО «ММК» [Текст] / М.В. Вечеркин, А.С Сарваров // Электротехнический системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 10. / Под ред. С.И. Лукьянова - Магнитогорск: Ml ТУ, 2005. — 180 с. — Библиогр.: с. 25-30.

2. Вечеркин, М.В. Моделирование аэродинамических характеристик центробежных вентиляторов [Текст] / М.В. Вечеркин, A.C. Сарваров, М.Ю Петушков. // Электротехнический системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 13. / Под ред. С.И. Лукьянова - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2005. - 180 с. - Библиогр.: с. 11-15.

3. Вечеркин, M.B. Моделирование аэродинамических характеристик центробежных вентиляторов [Текст] / М.В. Вечеркин, A.C. Сарваров, М.Ю. Петушков // Математика. Приложения математики в экономических, технических и педагогических исследованиях: Сборник науч. тр. / Под ред. Бушмановой М.В. Вып.4. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2006. - 282 с. -Библиогр.: с. 89-95.

4. Вечеркин, М.В. Определение границ диапазонов рациональной работы вентиляторов при различных способах регулирования производительности [Текст] / М.В. Вечеркин // Электротехнический системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 13. / Под ред. С.И. Лукьянова - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2005. - 180 с. - Библиогр.: с. 201-206.

5. Вечеркин, М.В. Оценка энергетической эффективности способов регулирования производительности вентиляторной станции [Текст] / М.В. Вечеркин, A.C. Сарваров, М.Ю. Петушков // XII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии». Труды в 2-х т. - Томск: Изд-во Томского политехи, ун-та, 2006 - Т. 1. - 524 с. - Библиогр.: с. 240-243.

6. Вечеркин, М.В. Исследование способов регулирования производительности вентиляторной станции ЛПЦ-10 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» [Текст] / М.В. Вечеркин, A.C. Сарваров // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2006, №4. - Библиогр.: с. 6367.

7. Вечеркин, М.В. Особенности реализации трансформаторно-тиристорных пусковых устройств для высоковольтных электродигателей перменного тока [Текст] / A.C. Сарваров, М.В. Вечеркин, М.Ю. Петушков // XII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии». Труды в 2-х т. - Томск: Изд-во Томского политехи, ун-та, 2006 — Т.1. — 524 с. — Библиогр.: с. 243-245.

8. Вечеркин, М.В. Перспективы применения высоковольтного транс-форматорно-тиристорного пускового устройства в составе вентиляторных станций [Текст] / М.В. Вечеркин, A.C. Сарваров // Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горнотопливной отраслях: Труды Третьей Всероссийской научно-практической конференции / Под общей редакцией В.Ю. Островлянчика, П.Н. Кунина. -Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2006 г. - 300 с. - Библиогр.: с. 39-44.

9. Вечеркин, М.В. Вопросы разработки трансформаторно-тиристорных пусковых устройств для высоковольтного электропривода переменного тока [Текст] / A.C. Сарваров, В.Б. Славгородский, В.Н. Маколов, М.В. Вечеркин И Электроприводы переменного тока: Труды международной тринадцатой научно-технической конференции. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005. 376 с. - Библиогр.: с. 300-302.

Подписано в печать 16.11.06. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ 795.

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

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА МОДЕРНИЗАЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

1.1. Общая оценка состояния электроприводов вентиляторных установок и требований к ним в промышленности.

1.2. Методология принятия решений в задачах модернизации вентиляторных механизмов.

1.3. Элементная база современных средств модернизации вентиляторных электроприводов.

1.4. Обзор существующих преобразователей частоты на тиристорах.

1.5. Обзор существующих высоковольтных пусковых устройств.

1.6. Варианты модернизации электроприводов вентиляторной станции ЛПЦ-10.

Выводы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СРАВНИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА СПОСОБОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВЕНТИЛЯТОРНОЙ СТАНЦИИ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО СПОСОБА РЕГУЛИРОВАНИЯ

2.1. Моделирование аэродинамических характеристик вентилятора.

2.2. Моделирование вентиляционной сети.

2.3. Методика анализа энергетической эффективности способов регулирования производительности вентиляторной станции.

2.4. Выбор оптимального способа регулирования производительности.

Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СИЛОВОЙ СХЕМЫ ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНОГО ПУСКОВОГО УСТРОЙСТВА И ЕГО МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ.

3.1. Трансформаторно-тиристорное и трансформаторное пусковое устройство.

3.2. Экспериментальное исследование пускового устройства.

3.3. Варианты силовых схем трансформаторно-тиристорных пусковых устройств.

3.4. Оценка стоимости трансформаторно-тиристорного пускового устройства и суммарных затрат на модернизацию.

3.5 Основные уравнения состояния асинхронного двигателя.

3.6 Математическое описание работы трансформатора.

Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ «ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНЫЙ ПУСКАТЕЛЬ -АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ» И АНАЛИЗ ПУСКОВЫХ РЕЖИМОВ.

4.1. Выбор способа реализации модели.

4.2. Моделирование прямого пуска АД.

4.3. Модель трансформаторно-тиристорного пускового устройства.

4.4. Исследование пуска двигателя без нагрузки на валу при фиксированном угле управления.

4.5. Исследования пусковых характеристик при вентиляторной нагрузке на валу двигателя.

Выводы.

Известно, что турбомеханизмы потребляют до 25% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. При этом в большинстве случаев электроприводы турбомеханизмов являются нерегулируемыми, что не позволяет снижать электропотребление при снятии технологических нагрузок. Регулирование их производительности с помощью запорной арматуры на стороне потребителя (дросселирование) является энергетически неэффективным [1].

Это заставляет искать пути, позволяющие снизить потери, связанные с несовершенными способами регулирования производительности турбомеханизмов. Данная проблема особенно остро стоит для групп турбомеханизмов работающих параллельно на общую разветвленную сеть - насосных, вентиляторных и компрессорных станций. Сложность аэро- и гидродинамических процессов происходящих при этом в сети не позволяет получить универсального решения данной проблемы. Решать вопрос об оптимальном способе регулирования производительности приходится индивидуально в каждом конкретном случае с учетом типа турбомеханизма и условий его работы.

Приближенные расчеты, проведенные для вентиляторной станции ЛПЦ-10 ОАО «ММК» показали, что потери электроэнергии вследствие отсутствия эффективной системы регулирования производительности доходят до 20.25% от общего потребления электроэнергии вентиляторами.

Снижение этих потерь возможно при регулировании суммарной производительности вентиляторной станции по потребностям производства. В настоящее время такое регулирование осуществляется вручную, не чаще одного раза в смену, с помощью осевого направляющего аппарата вентиляторов. Очевидно, что энергосберегающий эффект подобного регулирования чрезвычайно низок.

В связи с этим, актуальной является задача выбора энергетически эффективного способа регулирования производительности вентиляторной станции, при котором будут минимизированы неоправданные потери электроэнергии.

Такой выбор может быть осуществлен только при сравнении всех имеющихся способов регулирования. Имеющиеся методики ориентированы в основном на анализ сетей с неизменными параметрами и не могут быть применены к сложным объектам с несколькими потребителями, для которых расход воздуха различен.

Целью работы является улучшение технико-экономических показателей работы электроприводов вентиляторной станции за счет реализации энергетически эффективного способа регулирования ее суммарной производительности и разработка средств технической реализации такого способа, позволяющих минимизировать капитальные затраты на его внедрение.

Для достижения поставленных целей в работе решаются следующие основные задачи:

1. Анализ вариантов модернизации высоковольтных асинхронных электроприводов вентиляторов и средств их технической реализации.

2. Оценка эффективности различных способов регулирования производительности вентиляторной станции.

3. Выбор способа регулирования позволяющего получить максимальный эффект энергосбережения при минимуме капитальных затрат.

4. Разработка новой силовой схемы трансформаторно-тиристорного пускового устройства для реализации «старт-стопного» регулирования производительности вентиляторной станции и ограничения пускового тока и ударного момента электродвигателей.

5. Создание компьютерной модели системы «трансформаторно-тиристорное пусковое устройство - асинхронный двигатель».

6. Исследование компьютерной модели для выявления характеристик и возможностей пускового устройства.

Содержание работы изложено в четырех главах.

В первой главе проведен анализ путей модернизации электроприводов вентиляторных станций. Показана необходимость проведения дополнительных исследований для выбора рационального пути модернизации.

Вторая глава посвящена разработке методики анализа энергетической эффективности способов регулирования производительности вентиляторной станции. До настоящего времени анализ работы группы вентиляторов производится в основном графическим методом. Метод требует значительных временных затрат, практически не поддается автоматизации и трудно реализуем при большом числе вентиляторов. Разработанная методика позволяет оперативно решать широкий спектр задач, связанных с работой вентиляторов в сложных сетях.

В третьей главе предложена новая силовая схема пускового устройства на основе трансформатора. Стоимость такого устройства в несколько раз ниже классических пусковых устройств построенных на базе высоковольтных тири-сторных регуляторов напряжения.

В четвертой главе описана компьютерная модель пускового устройства и приведены результаты моделирования его работы при пуске асинхронного двигателя с вентиляторной нагрузкой. Предложены алгоритмы пуска АД с учетом особенностей пускового устройства и характера нагрузки.

В работе проведена приближенная оценка ожидаемой экономии электроэнергии от внедрения рациональных способов регулирования производительности. Рассчитаны сроки окупаемости для различных вариантов модернизации.

По содержанию диссертационной работы опубликовано девять научных трудов, полученные результаты докладывались на трех международных научно-технических конференциях.

Выводы

1. На основе известного математического аппарата в расширении Simulink пакета MatLab из стандартных библиотечных блоков построена компьютерная модель системы «трансформаторно-тиристорное пусковое устройство - высоковольтный асинхронный двигатель» корректно отражающая работу двигателя на холостом ходу и в режиме вентиляторной нагрузки на валу.

2. Выбран тип промышленно выпускаемого трансформатора, характеристики которого позволяют использовать для создания высоковольтного пускового устройства.

3. Определена зависимость кратности пускового тока АД от угла управления ТПН пускового устройства. Показано, что предложенное пусковое устройство позволяет добиться снижения амплитуды ударного момента до значений, не превышающих 1,2Мп.

4. Предложен параметрический закон изменения угла управления тиристорным преобразователем напряжения, обеспечивающий ограничение кратности пускового тока высоковольтного электродвигателя на уровне не более 4/„, амплитуды переходного электромагнитного момента на уровне 1,5Мн, и позволяющий минимизировать время пуска.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. С учетом современного технического состояния вентиляторной станции проведен анализ вариантов модернизации высоковольтных асинхронных электроприводов и сопоставление стоимостных показателей технических средств реализации возможных способов регулирования. В результате показана необходимость исследования производственных процессов в системе «вентиляторная станция - сеть воздуховодов».

2. На основе аппроксимации паспортных аэродинамических характеристик вентиляторов с применением специальных программных методов обработки данных разработана математическая модель вентиляторной станции, позволяющая исследовать технологический процесс подачи воздуха в методические нагревательные печи ЛПЦ-10 ОАО «ММК».

3. Разработана методика сравнительного анализа энергетической эффективности способов регулирования производительности вентиляторной станции с использованием аппроксимированных характеристик и электрической схемы замещения, на основе которой обоснована рациональность сочетания «старт-стопного» регулирования и регулирования угла поворота осевого направляющего аппарата вентиляторов.

4. Разработана силовая схема трансформаторно-тиристорного высоковольтного устройства «мягкого» пуска и математическая модель электропривода, реализующая пусковые режимы в системе «пусковое устройство-АД».

5. По результатам теоретических исследований, полученных на математической модели, определены основные характеристики пускового режима электропривода с трансформаторно-тиристорным пускателем. Получены зависимости кратности пускового тока и времени пуска асинхронного электродвигателя в функции угла управления преобразователем, подключенным к вторичной обмотке трансформатора.

6. Определен параметрический закон изменения угла управления тири-сторным преобразователем напряжения, обеспечивающий ограничение кратности пускового тока высоковольтного электродвигателя на уровне не более 4/„, амплитуды переходного электромагнитного момента на уровне 1,25Мн, и позволяющий минимизировать время пуска.

103

1. Онищенко Г.Б., Ючьков М.Г. Электропривод турбомеханизмов. М., «Энергия», 1972.

2. Лазарев Г.Б. Обеспечение электромагнитной совместимости при применении частотно-регулируемых асинхронных электроприводов в системах электроснабжения собственных нужд ТЭС // Вестник ВНИИЭ, 2000. 55-69 с.

3. Энергосбережение на металлургическом предприятии / Региональный учебно-методический центр «Персонал». Магнитогорск, 2002.

4. Сарваров А.С. Энергосберегающий электропривод на основе НПЧ-АД с программным формированием напряжения. Магнитогорск: МГТУ, 2001. -206 с.

5. Энергосбережение на металлургическом предприятии / Региональный учебно-методический центр «Персонал». Магнитогорск, 2002.

6. Думаневич А.Н., Якивчик II. Ч. Силовое полупроводниковое приборостроение в начале XXI века // Электротехника. 2001. №9. 9-12 с.

7. Таратута И.П., Чуприков B.C. Схематические и конструктивные решения преобразователей частоты для регулируемого электропривода // Электротехника. 2001. №9. 62-65 с.

8. Высоковольтный энергосберегающий преобразователь частоты ХИТАЧИ с бестрансформаторным выходом HIVECTOR-HV1 / All Rights Reserved, Copyright 2000, Hitachi, Ltd.

9. Вечеркин M.B., Сарваров А.С. Проблемы модернизации электроприводов ЦВС ЛПЦ-10 ОАО «ММК». Электротехнический системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 10. / Под ред. С.И. Лукьянова Магнитогорск: МГТУ, 2005.- 180 с.

10. Браславский И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / И.Я. Браславский, З.Ш. Ишма-тов, В.Н. Поляков; Под ред. И.Я. Браславского. М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 256 с.

11. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: Учебник для вузов. М.: Энергия, 1980.

12. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. Учебник для теплоэнергетических специальностей вузов. М., «Энергия», 1977.-424 с. с ил.

13. Ануфриев И.Е., Смирнов А.Б., Смирнова Е.Н. MATLAB 7. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 1104 е.: ил.

14. Новгородцев А.Б. Расчет электрических цепей в MATLAB: Учебный курс. СПб.: Питер, 2004. - 250 е.: ил.

15. Вахвахов Г.Г. Энергосбережение и надежность вентиляторных установок. М.: Стройиздат, 1989. - 176 е.: ил.

16. Б. Экк Проектирование и эксплуатация центробежных и осевых вентиляторов. Пер. с нем. И.О. Керстена. Москва, Госгортехиздат, 1959.

17. Калинушкин М.П. Насосы и вентиляторы: Учеб. пособие для вузов, 6-е изд., перер. и доп. М.: Высш. шк., 1987. - 176 е.: ил.

18. Абрамов Ф.А., Фролов Н.А. Электрическое моделирование вентиляционных сетей угольных шахт. Москва, Углетехиздат, 1957.

19. Абрамов Ф.А., Байков В.А., Фролов И.А. Электрическое моделирование вентиляционных сетей шахт. М.: Госгортехиздат, 1961.

20. Абрамов Ф.А., и др. Расчет вентиляционных сетей шахт и рудников. М.: Недра, 1978.

21. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. -672 е.: ил.

22. Внутренние санитарно-технические устройства. В 2-х ч. Под ред. И.Г.Староверова. Изд. 2-е, перераб. и доп. Ч. 2. Вентиляция и кондиционирование воздуха. М., Стройиздат, 1977. 502 с. (Справочник проектировщика).

23. Поиск электромеханических моделей турбомеханизмов. С.П. Лохов, А.А. Бузов, А.С. Лохов. Вестник ЮУрГУ, №4, 2001.

24. Энергосберегающая технология электроснабжения народного хозяйства: В 5 кн.: Практ. пособие/ Под ред. В.А. Веникова. Кн. 2. Энергосбережение в электроприводе/ Н.Ф. Ильинский, Ю.В. Рожановский, А.О. Горнов. М.: Высш. шк., 1989.- 127 с.: ил.

25. Кривандин В.А., Егоров А.В. Тепловая работа и конструкции печей черной металлургии: Учебник для вузов М.: Металлургия, 1989.- 462 с.

26. Вечеркин М.В., Сарваров А.С. Исследование способов регулирования производительности вентиляторной станции ЛПЦ-10 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2006, №4.

27. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. для вузов. 3-е изд., перер. и доп. - М.: Высш. шк., 2001. - 327 с.

28. Ковач К.П., Рац К Переходные процессы в машинах переменного тока /Пер. с нем. М. Л.: Госэнергоиздат, 1963. 735 е.: ил.

29. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. СПб.: КОРОНА-принт, 2001. -320 е., ил.

30. Лейтес Л.В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов.-М.: Энергия, 1981.

31. Копылов И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов. 3-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2002. - 607 с.

32. Бессонов Л.А. Нелинейные электрические цепи. Изд. 3-е, перер. и доп. Учеб. пособие для втузов. М., «Высш. школа», 1977.

33. Татур Т.А., Татур В.Е. Установившиеся и переходные процессы в электрических цепях: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 2001.

34. Лейтес JI.B., Пинцов A.M. Схемы замещения многообмоточных трансформаторов. М. «Энергия», 1974.

35. Черных И.В. SIMULINK: среда создания инженерных приложений/ Под общ. ред. В.Г. Потемкина. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. - 496 с.

36. Дьяконов В.П. MATLAB6.5 SP1/7 + SimuIink5/6. Основы применения. М.: СОЛОН-Пресс, 2005.

37. Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. - 528 е.: ил.

38. Герман-Галкин С.Г., Карбонов Г.А. Электрические машины: Лабораторные работы на ПК. СПб.: КОРОНА-принт, 2003. - 256 е., ил.

39. Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника: Лабораторные работы на ПК. СПб.: КОРОНА-принт, 2002. - 304 е., ил.

40. Мощинский Ю.А., Беспалов В.Я., Кирякин А.А. Определение параметров схемы замещение асинхронной машины по каталожным данным // Электричество, 1998, №4.

41. Писарев А.Л., Деткин Л.П. Управление тиристорными преобразователями (системы импульсно-фазового управления). М., «Энергия», 1975.

42. Юночев В. И. Теория электропривода: Учебник для вузов. М.: Энер-гоатомиздат, 1985. - 560 е., ил.