автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование пусковых устройств для высоковольтных электроприводов

005014333

АНИСИМОВ Дмитрий Михайлович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПУСКОВЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 1Ш

Магнитогорск - 2012

005014333

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

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор САРВАРОВ Анвар Сабулханович

Официальные оппоненты - МИКИТЧЕНКО Анатолий Яковлевич

доктор технических наук, профессор, ОАО «Рудоавтоматика» г. Железногорск, директор по науке

- МУГАЛИМОВ Риф Гарифович кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет, г.Магнитогорск доцент кафедры ЭиЭС

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет (национально-исследовательский университет)» г. Челябинск

Защита состоится «23» марта 2012 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д. 212.111.04 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 « 22 » февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современных условиях большинство электроприводов переменного тока, введенных в эксплуатацию с момента основания предприятий в прошлом веке, начиная с 30- г.г. и до 90- х продолжают оставаться нерегулируемыми. Наиболее затратным по электропотреблению является металлургическое производство, где сосредоточено большое многообразие электроприводов. На крупных металлургических предприятиях с полным производственным циклом, электроприводы переменного тока являются преобладающими как по количеству, так и по совокупной установленной мощности. В этой отрасли производства особое внимание необходимо обратить на состояние электроприводов агрегатов в сфере горно-обогатительного производства, где проблемы состояния электроприводов проявляются наиболее остро.

Отсутствие регулирования в асинхронных электроприводах не позволяет обеспечить высокую надежность эксплуатации электрического и механического оборудования технологических агрегатов горно-обогатительного и в целом металлургического производства. Одной из главных причин снижения надежности эксплуатации асинхронных электроприводов является то, что по мере снижения эксплуатационного ресурса электродвигателей все чаще возникают отказы, которые проявляются в самых тяжелых для АД режимах, а именно в пусковых. Высокая кратность значений момента и тока в этом режиме приводит к ускоренному износу оборудования, оказывает негативное влияние на работу системы электроснабжения и является основной причиной возникновения аварийных отказов агрегатов и выхода из работы производственных участков. В этой связи количество допустимых прямых пусков мощных электродвигателей лимитировано и по этой же причине часто многие электроприводы переменного тока большой мощности не отключают, оставляя их в режиме холостого хода при снятии технологических нагрузок.

Особого внимания требует высоковольтный электропривод, проблемы пуска которого в настоящее время решаются только для единичных устройств. Стоимостные показатели серийных высоковольтных полупроводниковых устройств пуска в настоящее время продолжают оставаться высокими и срок их окупаемости многократно превышает нормативное время. Все это препятствует массовому применению известных технических устройств, поставляемых на электротехнический рынок.

В этой связи актуальными являются задачи, связанные с разработкой альтернативных способов пуска мощных электроприводов переменного тока и объектно-ориентированных устройств.

Данная работа выполнялась в рамках мероприятий, обозначенных в федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы, по мероприятию 1.2.1 «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук», по конкурсу № НК-ббП «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии», по проблеме «Создание и внедрение энергосберегающих систем управления электроприводами переменного тока оборудования металлургических агрегатов на ОАО «ММК».

Цель работы. Повышение технико-экономических показателей эксплуатации высоковольтных электроприводов переменного тока на основе разработки ресурсосберегающих объектно-ориентированных пусковых устройств.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:

1. Анализ состояния электроприводов переменного тока (на примере ГОП ОАО «ММК»), способов и устройств реализации пуска в промышленности

2. Разработка и развитие концепции создания объектно-ориентированных пусковых устройств для высоковольтных электроприводов переменного тока

3. Обоснование теоретических и технических основ создания трансформа-торно-тиристорных пусковых устройств и уточнение алгоритмов управления тиристорами ТПН.

4. Разработка математической модели системы «асинхронный двигатель -трансформаторно-тиристорное пусковое устройство» и исследование пускового процесса на модели.

5. Проведение экспериментальных исследований процессов пуска на физической модели и определение перспектив реализации данного устройства для высоковольтных электроприводов переменного тока.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались основные положения теории электромеханического преобразования энергии в электрических машинах, процессов в трансформаторах, а также особенностей, вносимых тиристорными преобразователями напряжения.

Моделирование системы велось в среде Ма&аЬ с использованием встроенных функций аппроксимации и интерполяции данных. Исследование возможностей пускового устройства проводилось в расширении 81тРо\уегБ1з1етз среды МаЦЬаЬ с применением стандартных библиотечных блоков и встроенных средств визуализации данных. Экспериментальные исследования проводились на физической модели, в которой реализована система асинхронного электропривода с трансформаторно-тиристорным пусковым устройством.

К защите представляются следующие основные положения:

1. Результаты анализа состояния электроприводов переменного тока (на примере ГОП ОАО «ММК»), способов и устройств реализации пуска и обоснование концепция создания объектно-ориентированных пусковых устройств для высоковольтных электроприводов переменного тока.

2. Обоснование силовой схемы трансформаторно-тиристорного высоковольтного пускового устройства и алгоритмов управления тиристорами.

3. Математическая модель асинхронного электропривода по системе «транс-форматорно-тиристорное пусковое устройство - АД», реализующая пусковые режимы двигателя.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные на математической и физической моделях, позволяющие определить основные характеристики пускового режима электропривода с трансформа-торно-тиристорным пусковым устройством.

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

1. Обоснована концепция создания объектно-ориентированных пусковых устройств для высоковольтных электроприводов переменного тока.

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

3. В результате теоретических исследований на математической модели и экспериментальных на физической модели определены основные характеристики пускового режима электропривода с трансформаторно-тиристорным пусковым устройством.

4. Обоснована возможность реализации объектно-ориентированных пусковых устройств для высоковольтных асинхронных электроприводов с трансформаторами на основе магнитопроводов упрощенных конструкций.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются тем, что в основе модели системы «Трансформа-торно-тиристорное пусковое устройство - асинхронный двигатель», с помощью которой проводилось исследование режима каскадного пуска асинхронных двигателей, лежит математическое описание, базирующееся на строгом учете физических процессов в асинхронных электродвигателях с использованием известного в теории электромагнитного и электромеханического преобразования энергии математического аппарата. Моделирование типовых процессов в электроприводе с помощью вновь созданного математического аппарата дало результаты, сходные как по характеру, так и количественно с данными, полученными при использовании проверенных на практике методик математического моделирова-

ния. Экспериментальные исследования, проведенные на физической модели подтвердили основные результаты, полученные на модели.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенная концепция создания объектно-ориентированных пусковых устройств для высоковольтных асинхронных электроприводов способствует созданию более простых по конструкции и соответственно дешевых по стоимости установок. Предложенное пусковое устройство способствует решению задач энерго,- и ресурсосбережения в промышленных устройствах с высоковольтными электроприводами При этом экономия электроэнергии достигается за счет улучшении условий пуска что позволяет осуществлять своевременное отключение мощных электроприводов при снятии технологических нагрузок. Ресурсосбережение достигается за счет снижения и практически полного устранения колебании пускового момента, а также решения задач ограничения пусковых токов, что позволяет увеличить межремонтный период эксплуатации и соответственно эксплуатационные расходы. Полученные результаты могут быть использованы при подготовке бакалавров и магистров направления подготовки 140000 «Энергетика, энергетическое машиностроение и электротехника»

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационнои работы докладывались и обсуждались на VI международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2010 (г. Тула); международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» г. Одесса (Украи-на)2009г • третьем международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении», Челябинск, 2010г., 66-69-й научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ (МГТУ) и научно-технических семинарах по проблемам электроприводов переменного тока.

Диссертационная работа рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры электроники и микроэлектроники института энергетики и автоматики ФГБОУ ВПО «МГТУ» (январь 2012 г.)

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 10 печатных трупах, в том числе 3 статьях, изданных в рецензируемых источниках, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 67 наименований и приложений. Работа изложена на 131 страницах, содержит 63 рисунков и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе проведен краткий обзор структуры и состояния электроприводов переменного тока предприятиях металлургического производства. Приведены диаграммы распределения двигателей по мощности, отдельно выделены группа высоковольтных электродвигателей, диапазон мощности которых находится в пределах от 250-500 кВт - до 5000 кВт и более в целом по ОАО «ММК». Такая же диаграмма приведена для двигателей ГОП ОАО «ММК». При • этом по комбинату находится в эксплуатации свыше около 2 тыс. ед. высоковольтных электродвигателей переменного тока и по горно-обогатительному производству около 400 ед. В настоящее время пусковыми устройствами оснащены не более 10% электроприводов. Проблемы массового асинхронного электропривода также продолжают оставаться не решенными. При этом эксплуатационный персонал отмечает, что большинство электроприводов переменного тока, введенных в эксплуатацию с момента основания предприятий в прошлом веке, начиная с 30- г.г. и до 90- х продолжают оставаться нерегулируемыми.

Анализ распределения асинхронных электродвигателей видам механизмов, показывает наличие в данной сфере производства большого их многообразия. В целом по условиям пуска их можно разделить на три группы по видам типовых характеристик. Одновременно с этим проведен анализ проблем, имеющих место при реализации классических способов пуска, рассмотрены схемы пуска и приведена их оценка. Данный анализ сопровождается типовыми расчетными осциллограммами пусковых процессов при различных условиях их осуществления. Отдельно рассмотрены условия позволяющие реализовать пуск двигателя в системе ТПН-АД с существенным ограничением амплитуд ударного пускового момента. Данные результаты приведены для обоснования концепции создания объектно-ориентированных пусковых устройств для высоковольтных электроприводов переменного тока. В основу этой концепции заложены в первую очередь вопросы ресурсосбережения в электромеханических системах, за счет снятия механических перегрузок при асинхронных электродвигателей. На основе анализа исследований в области систем ТПН-АД, предлагается создание объектно-ориентированных пусковых устройств кратковременного действия. При этом для отдельных случаев предложено принять во внимание, что формирование пусковых воздействий длительностью в несколько периодов (до 0,1 с) позволяет практически полностью снять динамические перегрузки обусловленные колебательностью электромагнитного пускового момента. Отмечено, что многие научные школы и особенно таких крупнейших ранее в СССР вузов, как Московский энергетический институт (ТУ), Одесский политехнический институт, Уральский политехнический институт (УПИ-УГТУ) внесли основной вклад в развитие теории и практики систем АД-ТПН. Именно в трудах ученых этих вузов были ре-

шены многие теоретические вопросы и нашли обобщение результаты исследований ученых других научных коллективов.

Анализ современного состояния решений в данной области показывает необходимость более подробного рассмотрения вопросов, связанных с созданием устройств пуска для высоковольтных электродвигателей. В данной главе достаточно подробно рассмотрены вопросы, связанные с применением различных вариантов реализации тиристорных преобразователей напряжения (ТПН) и в том числе основные конструкции пусковых устройств для высоковольтных электродвигателей. На рис.1 приведены трансформаторные варианты, когда в качестве управляющего звена используется надежный преобразователь низковольтного исполнения (ТПН или ПЧ), но при этом в данной системе применяют 2 трансформатора: понижающий и повышающий. Ведущими фирмы - производители предлагают различные варианты исполнения преобразователей без трансформаторов. Существуют и другие варианты исполнения преобразователей, реализованные на высоковольтных полупроводниковых блоках.

понижающий тпи ПОВЫШаГОЩШ!

трансформатор

трансформатор

(М)

понижающим трансформатор

ПЧ

повышающим транс форматор

-00-*<§)

Рис. 1. Двухтрансформаторные варианты пусковых устройств для высоковольтных электроприводов

Анализ стоимостных показателей, проведенных в работах данного направления показывают, что высоковольтные пусковые устройства с применением только для пусковых целей имеют время окупаемости заметно превышающий нормативные сроки. В этой связи в данной главе дано обоснование к созданию более простых объектно-ориентированных трансформаторно-тиристорных пусковых устройств и сформулированы задачи, решаемые в данной диссертационной работе.

Во второй главе дано представление трансформатора как преобразователя напряжения с регулируемы сопротивлением. Для специалистов электротехнического направления вполне понятны такие два крайних состояния трансформатора, как опыты в режимах холостого хода и короткого замыкания. Не приводя для них соответствующие схемы замещения, с позиции электротехники дана обобщенная оценка относительного изменения входного сопротивления трансформатора. При этом в качестве базовой принята величина входного сопротивления трансформатора при номинальном режиме его работы гир. При проведении простейшей оценки принято, что ток холостого хода находится в пределах до 5% от номинального значения, а напряжение короткого замыкания не превышает 8% от номинального напряжения. При этом отношение сопротивления трансформатора в режиме холостого хода к величине сопротивления короткого замыкания определится из выражения Ъ хх/ гю=(20 гн) / (0,08 1Н) =250. Приближенная оценка позволяет представить трансформатор, как активно-индуктивное сопротивление с возможностью плавного изменения его сопротивления в широких пределах.

Приводятся примеры из практики применения трансформаторов в составе пусковых устройств в сочетании с диодными структурами типа «трехфазный мост с короткозамыкателями». Эти структуры представлены как прототипы к предлагаемому трансформаторно-тиристорному пусковому устройству (ТТПУ). Рассмотрен также вариант применения дросселя насыщения с самоподмагничи-ванием. На рис. 2. приведены силовые схемы предлагаемых в данной работе вариантов ТТПУ.

а) б)

Рис. 2. Варианты реализации трансформаторно-тиристорного пускового

устройства

Схема, приведенная на рис. 2,6) обладает более широкими возможностями в плане реализации различных алгоритмов управления. На её основе

получен патент РФ на полезную модель. На рис. 3. Представлена однолинейная силовая и схема замещения системы ТТПУ- АД, откуда видно, что регулирующим элементом в каждой фазе АД является группа из 2-х встречно-паралельно включенных тиристоров.

Рис. 3. Силовая схема и схема замещения системы ТТПУ-АД

С учетом особенностей работы ТПН, подключенного к вторичной обмотке трансформатора проанализирована возможность использования серийного преобразователя и уточнены алгоритмы управления вентилями. Рассмотрены также варианты, связанные с использованием трансформаторов в качестве пусковых устройств с различной степенью загрузки ТПН. Показано, что наиболее рациональным является вариант построения ТТПУ с трансформатором, напряжение которого в 2-3 раза меньше напряжения питающей сети. В этом случае, даже при разомкнутой вторичной обмотке (в случае отказа ТПН), первичная обмотка как реактор в состоянии насыщения трансформатора обеспечит «мягкий пуск».

Третья глава посвящена разработке математической модели системы ТТПУ-АД, в которой реализованы алгоритмы управления вентилями ТПН с учетом того, что они подключены в цепь вторичной обмотки трансформатора. В основе модели лежат дифференциальные уравнения электромагнитного и электромеханического состояния АД, упрощение которых достигается использованием метода пространственного вектора, позволяющего осуществить переход из неподвижной системы координат к вращающейся и наоборот. Известная математическая модель двигателя дополнена такими элементами как трансформатор и тиристорный преобразователь напряжения. На рис.4 представлена физическая схема замещения трансформатора принятая к разработке математической модели

Рис. 4. Физическая схема замещения трансформатора

При известной зависимости Ьт {гр ) состояние трансформатора в математической модели предложено воспользоваться системой ниже приведенных уравнений.

О-ijt-Lbf*.

оч т dt 1 dt

(1)

Данная система позволяет описать состояние трансформатора, как в переходных, так и в установившихся режимах. На её основе составлена модель в пакете 8цпи1шк.

Разработана также модель непосредственно пускового устройства

(рис.5)

—•С 1 > phashe_a AD Ь

phashe_bAD

с

3 У АО

Zigzag

Phase-Shitting Tran^ormer

О

iao*exp(1'(4i))

С. fN

"О.

Control tir

alfa deg , B-C

I

'iSJ.

Ra

I

■tíál'

Rb

•-M-

L

ctíSl'

Re

—vW-

J

Рис. 5. Модель пускового устройства с использованием стандартных элементов БтиНпк

Особое внимание уделено также разработке тестирующей модели, позволяющей оценить корректность полученных результатов на модели пускового устройства. Непосредственно полная структура модели «ТТПУ-АД» рамках ограниченного объема автореферерата не приводится.

При проведении исследований на модели особое внимание было уделено вопросам снятия или ограничения ударного электромагнитного момента и соответственно ограничению динамических нагрузок в электромеханической системе. В рамках данной проблемы были проведены исследования влияния законов изменения угла управления вентилями на снижение колебаний момента. Исследования проводились на модели высоковольтного АД мощностью 800 кВт. Тип и данные двигателя приведены в диссертации. На рис. 6 приведены фрагменты результатов исследований проведенных на модели для высоковольтного АД. За время 1=1 с угол управления от начального значения снижался до нуля.

М

прямой пуск

1.0

с

М с начальным I углом 110 град

М с начальным углом 90 град.

м с начальным I углом 120 град

ЧМММИ******** «

1.0 1,

Рис. 6. Фрагменты результатов моделирования пускового процесса (расчетные кривые электромагнитного момента за время 1=1 с при длительности пускового процесса 1= 7 с)

Анализ процессов позволяет сделать вывод, о том, что управляющие воздействия в системе «ТТПУ-АД» продолжительностью менее одной секунды позволяют для высоковольтного электропривода устранить колебательность момента. При этом достигается главная цель - повышение надежности электропривода за счет снижения динамических нагрузок.

В четвертой главе рассматриваются вопросы, связанные с реализуемостью пусковых в системе ТТПУ-АД, проведена их оценка и обоснована возможность построения объектно-ориентированных пусковых устройств для высоковольтных асинхронных электроприводов с трансформаторами на основе магни-топроводов упрощенных конструкций.

Реализуемость данной системы обоснована применением ее на низковольтной экспериментальной установке. Работы в данном направлении проводились на кафедре электроники и микроэлектроники ранее. В частности, в качестве подтверждения предлагаются к рассмотрению осциллограммы пуска с применением трансформаторно-тиристорного пускового устройства для пуска асинхронного двигателе А02-42-4 (Р2н=5,5 кВт, /1н=11,3 А, £/1н=380 В). При проведении данных исследований использовался трансформатор с рабочим напряжением равным напряжению сети и мощностью соизмеримой с мощностью двигателя.

пусковой процесс

Рис.7. Экспериментальные осциллограммы пуска двигателя А02-42-4 с использованием ТТПУ

Приведенные осциллограммы были получены при плавном изменении (вручную) угла управления а тиристорного преобразователя напряжения промышленного изготовления. Приведенные осциллограммы подтверждают принципиальную возможность реализации трансформаторно-тиристорного пускового устройства и его применения в дальнейшем для пуска высоковольтных асинхронных двигателей.

Проведены исследования, связанные с выбором пускового трансформатора. При этом на основании экспериментальных исследований рассмотрена возможность применения отдельных типов трансформатора для определенного ряда мощности электродвигателей.

Эксперименты промышленного масштаба проводились в рамках испытаний системы ТТПУ-АД непосредственно в условиях эксплуатации промышленных электроприводов.

Для этих целей был создан опытно-промышленный образец системы ТТПУ - АД. В данной системе был применении образец микропроцессорного устройства (электронный блок управления), реализованного на современной элементной базе с использованием специализированных интеллектуальных модулей на основе программируемых логических матриц. На рис. 8. представлена функциональная структура, реализованная в качестве управляющего модуля системы управления тиристорами ТПН.

к вторичной обмотке пускового трансформатора

А В С

Рис. 8. Функциональная структура системы управления ТПН

В рамках развития систем ТТПУ рассмотрена также возможность реализации ТТПУ-АД с трансформаторами на основе магнитопроводов упрощенных конструкций. При этом принято во внимание, что пусковые устройства для высоковольтных АД являются устройствами кратковременного воздействия -это единицы секунд и в целом не более минуты. Одновременно принято во внимание, что высоковольтные электроприводы работают в большей степени в длительном режиме и их пуск осуществляется не так часто, как пуск многих АД массового применения с напряжением 0,4 кВт. Все это позволило принять обоснованные решения для создания объектно-ориентированных пусковых устройств кратковременного действия. Были также проведены исследования, связанные с созданием трансформаторного устройства простейшего типа, реализованного на магнитопроводе простейшего типа в виде развитых конструкций, имеющих применение в пусковых устройствах АД с фазным ротором. Многие специалисты электротехнического направления деятельности имеют представ-

ление об индукционных реостатах, используемых в качестве базового пускового устройства для двигателей с фазным ротором в крановых электроприводах. Реостаты подобного типа предложено использовать в качестве конструктивного прототипа для создания объектно-ориентированных трансформаторов пусковых устройств ориентированных для кратковременного применения в высоковольтных электроприводах переменного тока. В плане создания такого устройства проведены расчеты параметров магнитопровода пускового трансформатора. При этом на основе анализа известных методов расчета была взята за основу методика расчета, связанная с использованием цилиндрического сердечника. В её основе использован математический аппарат с применением функций Бесселя.

Исследования с использованием трансформатора реализованного на цилиндрическом сердечнике типа «труба» показали возможность создания простейших объектно-ориентированных трансформаторов для применения их в составе пусковых устройств. Проведены расчеты стоимостных показателей, позволяющие сделать выводы об экономической целесообразности развития данного направления.

В процессе ввода электронного блока в эксплуатацию были отлажены две программы управления для различных пусковых режимов. На рис. 9 приведены временные диаграммы обобщенных векторов пускового тока, полученных в результате экспериментальных исследований в промышленных условиях.

Рис. 9. Временные диаграммы обобщенных векторов пускового тока двигателя при использовании трансформатора с сердечником типа «труба»

Переходные процессы пуска были сняты с помощью анализатора качества энергии Н10К13197. Обработка результатов осуществлена специализированной программой. Результаты обработки представлены в виде временных диаграмм обобщенных векторов пускового тока двигателя. Полученные результаты позволяют в целом сделать вывод о целесообразности развития данного направления работ по созданию высоковольтных трансформаторно-тиристорных пусковых устройств высоковольтных электроприводов переменного тока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача, связанная с повышением технико-экономических показателей эксплуатации высоковольтных электроприводов переменного тока на основе разработки ресурсосберегающих объектно-ориентированных пусковых устройств.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие результаты и выводы:

1. В результате анализа состояния электроприводов переменного тока (на примере ГОП ОАО «ММК»), способов и устройств реализации пуска асинхронных электродвигателей обоснована концепция создания объектно-ориентированных пусковых устройств для высоковольтных электроприводов.

2. Разработана новая силовая схема трансформаторно-тиристорного высоковольтного пускового устройства, в основе которой трансформатор используется как регулируемый реактор с тиристорным преобразователем напряжения, подключенным к обмотке низкого напряжения.

3. Разработана математическая модель системы «трансформаторно-тиристорное устройство - асинхронный двигатель», в которой реализованы алгоритмы управления вентилями ТПН.

4. В результате теоретических исследований на математической модели и экспериментальных на физической модели определены основные характеристики пускового режима электропривода с трансформаторно-тиристорным пусковым устройством.

5. Разработан и изготовлен экспериментальный образец асинхронного электропривода с трансфрматорно-тиристорным пусковым устройством и проведены испытания в промышленных условиях.

6. Обоснована возможность реализации объектно-ориентированных пусковых устройств для высоковольтных асинхронных электроприводов с трансформаторами на основе магнитопроводов упрощенных конструкций.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК:

1. Сравнительная характеристика способов пуска машины центробежного литья валков /A.C. Сарваров, М.Ю. Петушков, Д.М. Анисимов и др. // Известия Тульского государственного университета. Технические науки Вып.З,

Часть 3. Тула, 2010.-С.162-173.

2. Моделирование процесса детерминированного пуска АД на базе трансфор-маторно-тиристорного пускового устройства /A.C. Сарваров, М.Ю. Петушков, Д.М. Анисимов и др. //Известия Тульского государственного университета. Технические науки Вып.З, Часть 3. Тула, 2010.-С.122-127.

3. Анализ состояния электроприводов агрегатов ГОП ОАО «ММК» и пути модернизации/ А.С.Сарваров, М.Ю. Петушков, Д.М. Анисимов, и др //Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. №3(35), 2011- С.8-11.

Публикации в других изданиях:

4. Сравнительная характеристика способов пуска асинхронных двигателей / A.C. Сарваров, М.Ю. Петушков, Д.М. Анисимов и др. //Приводная техника №6, 2010.-С.26-33

5. Разработка математической модели системы «Трансформаторно-тиристорный пускатель-асинхронный двигатель» / Д.М. Анисимов, М.В. Ве-черкин, И.А. Сарваров и др. //Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. Тр. Вып. 15 .- Магнитогорск, 2008.-С.191-195

6. Исследование типовых процессов пуска на модели системы «Трансформа-торно-тиристорный пускатель-асинхронный двигатель»/ Д.М. Анисимов, М.В. Вечеркин, И.А. Сарваров и др. //Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. Тр. Вып. 15 .- Магнитогорск, 2008 - С 177181

7. Методологические аспекты модернизации металлургических электроприводов / Д.М. Анисимов, В.Б.Славгородский, A.C. Сарваров и др.// Электроэнергетика и Автоматизация в металлургии и машиностроении: Международная конференция.- Магнитогорск 2008.-С. 100-112

8. Пути совершенствования энергосбережения средствами электропривода на металлургических предприятиях/ Д.М. Анисимов, М.Ю. Петушков, A.C. Сарваров и др. //Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании: сборник научных трудов международной научно-практической конференции. Том 3. Одесса 2009. -С.62-68

9. Электропривод машины центробежного литья валков/ А.С.Сарваров, М.Ю. Петушков, Д.М. Анисимов и др. //«Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении» Третий международный промышленный форум. Сборник докладов конференции. Челябинск, 2010.-С.94-98

10. Пусковое устройство трехфазного высоковольтного электродвигателя переменного тока - Патент РФ на полезную модель №82963 Н02Р1/04 (2006.01) Опубл. 10.05.09 Анисимов Д.М., Сарваров A.C., Петушков М.Ю., Сарваров И.А.

Подписано в печать 21.02.2012. Формат 60x84 1/16. Бумага тип. № 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 129.

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

61 12-5/2228

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет

им Г.И. Носова»

На правах рукописи

АНИСИМОВ ДМИТРИЙ МИХАЙЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПУСКОВЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Специальность 05.09.03. - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Сарваров А.С.

Магнитогорск - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение............................................................................... 4

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОДЕРНИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА...................10

1.1. Обзор структуры и состояния электроприводов переменного

тока на предприятиях металлургического производства................. 10

1.2. Проблемы при реализации классических способов пуска АД....... 16

1.2.1. Пуск двигателя непосредственным включением в сеть......... 19

1.2.2. Пуск при пониженном напряжении.................................... 22

1.3. Особенности реализации систем ТПН-АД............................. 28

1.3.1. Бесконтактные пусковые устройства на основе тиристорных коммутаторов....................................................................... 29

1.3.2. Научные школы развития систем ТПН-АД........................... 30

1.3.3. Силовые схемы ТПН и принципы регулирования напряжения... 32

1.4. Задачи, решаемые пусковыми устройствами на основе тиристорных преобразователей напряжения................................. 37

1.5. Пусковые устройства для высоковольтных электродвигателей

и задачи по созданию объектно-ориентированных устройств пуска..... 41

ВЫВОДЫ по главе................................................................. 47

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНЫХ ПУСКОВЫХ УСТРОЙСТВ.............. 48

2.1. Представление трансформатора, как преобразователя напряжения

с регулируемым сопротивлением................................................ 48

2.2. Разработка трансформаторно-тиристорного пускового устройства

для высоковольтного АД ................................................................................................................53

2.3. Разработка и анализ направлений развития высоковольтных пусковых устройств на основе трансформаторно-тиристорных схем ... 59

2.4. Анализ возможности применения системы в роли неуправляемого

реактора................................................................................................................................................................61

ВЫВОДЫ по главе............................................................................................................................65

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ АД

С ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНЫМИ ПУСКОВЫМИ

УСТРОЙСТВАМИ............................................................................ 67

3.1. Основные уравнения электромагнитного состояния АД.......... 67

3.2. Математическое описание работы трансформатора............... 73

3.3. Исследование модели системы «трансформаторно-тиристорный пускатель - асинхронный двигатель» и анализ

пусковых режимов.............................................................. 75

3.3.1. Обоснование способа реализации модели......................... 75

3.3.2. Моделирование прямого пуска АД .................................... 76

3.3.3. Модель трансформаторно-тиристорного пускового устройства ... 79

3.3.4. Исследование пуска двигателя без нагрузки на валу при фиксированном угле управления................................................ 84

3.4. Исследование пуска двигателя при изменении угла управления

с целью снижения колебательности пускового момента......................... 87

ВЫВОДЫ по главе....................................................................................... 93

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТТПУ-АД И РАЗРАБОТКА ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА................................................... 94

3.1. Исследования, связанные с реализуемостью пускового

процесса в системе ТТПУ-АД ................................................... 94

4.2. Вопросы разработки простейших конструкций пусковых трансформаторов................................................................... 96

4.3. Разработка трансформаторно-тиристорного пускового устройства

и его экспериментальные испытания........................................... 105

4.4. Технико-экономическое обоснование развития данного направления 109 ВЫВОДЫ по главе ...............................................................................110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ..................... 111

Библиографический список ...................................................... 113

Приложения

Введение

В современных условиях большинство электроприводов переменного тока, введенных в эксплуатацию с момента основания предприятий в прошлом веке, начиная с 30- г.г. и до 90- х продолжают оставаться нерегулируемыми. Известно, что до 50% потребления электроэнергии в стране приходится на массовый нерегулируемый электропривод на базе асинхронного короткозамкнутого электродвигателя [1,2]. Механизмы с вентиляторной нагрузкой занимают особое положение по потреблению электроэнергии. На их долю приходится около 20-ь25% всей вырабатываемой электроэнергии. Наиболее затратным по электропотреблению является металлургическое производство, где сосредоточено большое многообразие электроприводов. На крупных металлургических предприятиях с полным производственным циклом, электроприводы переменного тока являются преобладающими как по количеству, так и по совокупной установленной мощности. В этой отрасли производства особое внимание необходимо обратить на состояние электроприводов агрегатов в сфере горнообогатительного производства, где проблемы состояния электроприводов проявляются наиболее остро. Отсутствие регулирования в асинхронных электроприводах не позволяет обеспечить высокую надежность эксплуатации электрического и механического оборудования технологических агрегатов горно-обогатительного и в целом металлургического производства. Одной из главных причин снижения надежности эксплуатации асинхронных электроприводов является то, что по мере снижения эксплуатационного ресурса электродвигателей все чаще возникают отказы, которые проявляются в самых тяжелых для АД режимах, а именно в пусковых. Высокая кратность значений момента и тока в этом режиме приводит к ускоренному износу оборудования, оказывает негативное влияние на работу системы электроснабжения и является основной причиной возникновения аварийных отказов агрегатов и производственных участков. В

этой связи количество допустимых прямых пусков мощных электродвигателей лимитировано и по этой же часто многие электроприводы переменного тока большой мощности не отключают, оставляя их в режиме холостого хода при снятии технологических нагрузок.

Особого внимания требует высоковольтный электропривод, проблемы пуска которого в настоящее время решаются только для единичных устройств. Стоимостные показатели серийных высоковольтных полупроводниковых устройств пуска в настоящее время продолжают оставаться высокими и срок их окупаемости многократно превышает нормативное время. Все это препятствует массовому применению известных технических устройств, поставляемых на электротехнический рынок.

В этой связи актуальными являются задачи, связанные с разработкой альтернативных способов пуска мощных электроприводов переменного тока и объектно-ориентированных устройств.

Данная работа выполнялась в рамках мероприятий, обозначенных в федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы, по мероприятию 1.2.1 «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук», по конкурсу № НК-66П «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии», по проблеме «Создание и внедрение энергосберегающих систем управления электроприводами переменного тока оборудования металлургических агрегатов на ОАО «ММК».

С учётом выше изложенного, в данной работе поставлена цель повышения технико-экономических показателей эксплуатации высоковольтных электроприводов переменного тока на основе разработки ресурсосберегающих объектно-ориентированных пусковых устройств. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- Анализ состояния электроприводов переменного тока (на примере ГОП ОАО «ММК»), способов и устройств реализации пуска в промышленности.

Разработка и развитие концепции создания объектно-ориентированных пусковых устройств для высоковольтных электроприводов переменного тока.

- Обоснование теоретических и технических основ создания трансформаторно-тиристорных пусковых устройств и уточнение алгоритмов управления тиристорами ТПН.

Разработка математической модели системы «асинхронный двигатель - трансформаторно-тиристорное пусковое устройство» и исследование пускового процесса на модели.

- Проведение экспериментальных исследований процессов пуска на физической модели и определение перспектив реализации данного устройства для высоковольтных электроприводов переменного тока.

Содержание работы изложено в четырех главах.

В первой главе проведен краткий обзор состояния электроприводов переменного тока в промышленности, отдельно выделена группа высоковольтных электроприводов. Проведен анализ электроприводов по типам пусковых характеристик и анализ недостатков классических способов пуска. Проведен обзор по системам с тиристорными преобразователями напряжения (ТПН), также по вопросам применения высоковольтных пусковых устройств. Обоснована необходимость создания объектно-ориентированных высоковольтных пусковых устройств. В результате сформулированы задачи по данной диссертационной работе.

Во второй главе дано теоретическое и техническое обоснование возможности создания трансформаторно-тиристорных пусковых устройств (ТТПУ). Дано представление трансформатора, как преобразователя напряжения с регулируемым сопротивлением. На основании известных

примеров их практики разработан новый вариант ТТПУ, подтвержденный патентом РФ. Исследована возможность применения трансформатора в качестве неуправляемого пускового реактора (в случае отказа ТПН), что позволяет в целом повысить надежность системы электропривода в пусково режиме.

Третья глава посвящена разработке математической модели системы ТТПУ, соединены в одну действующую локальные модели высоковольтного асинхронного электродвигателя, ТПН, трансформатора, тестирующие модели, алгоритмы управления вентилями и система управления. Проведены исследования пусковых процессов при фиксированных углах управления и при изменении угла управления по линейному закону с максимального заданного до нуля за определенное время. Получены условия пуска, при реализации которых достигается полное снятие ударных мометов колебательного характера.

В четвертой главе рассмотрены вопросы, связанные с реализуемостью ТТПУ, приведены результаты исследований в условиях производства при использовании трансформатора в качестве неуправляемого реактора. Обоснована возможность реализации объектно-ориентированного трансформатора на основе магнитопровода упрощенной конструкции. Приведена методика расчета параметров магнитопровода. Создан опытно-промышленный образец, в котором используется электронный блок управления, специально разработанный в рамках выполнения данной работы. Проведенные исследования показали возможность реализации для промышленной эксплуатации объектно-ориентированных пусковых устройств.

На защиту выносятся следующие основные положения: - Результаты анализа состояния электроприводов переменного тока (на примере ГОП ОАО «ММК»), способов и устройств реализации пуска и

обоснование концепция создания объектно-ориентированных пусковых устройств для высоковольтных электроприводов переменного тока.

Обоснование силовой схемы трансформаторно-тиристорного высоковольтного пускового устройства и алгоритмов управления тиристорами.

- Математическая модель асинхронного электропривода по системе «трансформаторно-тиристорное пусковое устройство - АД», реализующая пусковые режимы двигателя.

- Результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные на математической и физической моделях, позволяющие определить основные характеристики пускового режима электропривода с трансформаторно-тиристорным пусковым устройством.

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

1. Обоснована концепция создания объектно-ориентированных пусковых устройств для высоковольтных электроприводов переменного тока.

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

3. В результате теоретических исследований на математической модели и экспериментальных на физической модели определены основные характеристики пускового режима электропривода с трансформаторно-тиристорным пусковым устройством.

4. Обоснована возможность реализации объектно-ориентированных пусковых устройств для высоковольтных асинхронных электроприводов с трансформаторами на основе магнитопроводов упрощенных конструкций.

Полученные результаты создают предпосылку для разработки и изготовления промышленных образцов трансформаторно- тиристорных пусковых устройств для высоковольтных электроприводов переменного тока. Главным результатом исследований является установление возможности полного снятия ударных пусковых моментов при пуске асинхронных электродвигателей.

Диссертационная работа рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры электроники и микроэлектроники института энергетики и автоматики ФГБОУ ВПО «МГТУ» (январь 2012 г.)

По результатам диссертационной работы опубликовано 10 научных, в том числе 4 статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК и свидетельство РФ на полезную модель. Основные результаты докладывались на научно-технических конференциях и семинарах различного уровня.

Диссертационная работа рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры электроники и микроэлектроники института энергетики и автоматики ФГБОУ ВПО «МГТУ» (январь 2012 г)

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОДЕРНИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1.1.Обзор структуры и состояния электроприводов переменного тока на предприятиях металлургического производства

В настоящее время в международной практике модернизации

производства сложилась устойчивая тенденция внедрения регулируемых электроприводов переменного тока на базе АД с короткозамкнутым ротором. В большинстве случаев модернизация существующих электроприводов переменного тока, базируется на внедрении современных полупроводниковых средств силовой электроники с микропроцессорным управлением. При этом особое внимание уделяется применению преобразователей частоты (ПЧ) для пуска и регулирования, и пусковым устройствам на основе тиристорных преобразователей напряжения (ТПН).

Вопросы модернизации электроприводов переменного тока достаточно серьезно ставились на многих Всесоюзных и Всероссийских конференциях по электроприводу, начиная с 70-х г.г. прошлого века. Однако проблемы электропривода переменного тока заметно обострились в России только в связи с переходом к рыночным отношениям.

Поиск резервов энерго-ресурсосбережения заставил электрослужбы крупных предприятий обратить серьезное внимание на весь спектр электроприводов. При этом в центре внимания научных коллективов не только массовый электропривод на базе асинхронных электродвигателей напряжением 380 В, но и высоковольтный, мощность которых находится в широком диапазоне от 500 кВт до 20 и более МВт. Проблемы энергоресурсо сбережения становятся главными на предприятиях с энергоемкими производствами, где в себестоимости продукции значительную долю занимают затраты на электроэнергию. К таким, в первую очередь, относятся металлургические предприятия с полным циклом производства, начиная от добычи руды и обогащения и заканчивая глубокой переработкой

металлопродукции с получением листового и сортового проката. Велика также доля энергозатрат и в других отраслях тяжелой промышленности, например, в угледобывающей и горнорудной, в нефтегазовом комплексе, а также при производстве строительных материалов.

Анализ состояния электроприводов переменного тока можно провести на примере крупнейшего в мире металлургического предприятия ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», где в эксплуатации находится практически весь спектр оборудования предприятий Российской промышленности. С позиции модернизации и повышения технического уровня эксплуатации особое внимание следует обратить на состояние электроприводов горно-обогатительного производства (ГОП ОАО «ММК