автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Улучшение эксплуатационных характеристик синхронных электроприводов металлургических агрегатов

На правах рукописи

ШУРЫГИНА Галина Владимировна

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ

АГРЕГАТОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2005

Работа выполнена в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент КОРНИЛОВ Геннадий Петрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор САРВАРОВ Анвар Сабулханович

кандидат технических наук, доцент БАСКОВ Сергей Николаевич

Ведущее предприятие: ОАО «Магнитогорский

металлургический комбинат», г. Магнитогорск

• Защита состоится « у » 2005 г. в /э часов на

заседании диссертационного совета Й212.111.02 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 университета.

Автореферат разослан

2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета /7 канд. техн. наук, доцент

К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Металлургические предприятия потребляют около 14% топлива и 12% вырабатываемой в России электроэнергии. В себестоимости металла доля энергетических ресурсов постоянно растет и за последнее десятилетие увеличилась с 18-22% до 35-45%. Эта тенденция заставляет более тщательно относиться к экономии электроэнергии, особенно энергоемких объектов.

К наиболее энергоемким электромеханическим приемникам металлургических предприятий относятся синхронные двигатели (СД), с единичной установленной мощностью до 20 МВт. Одним из важнейших резервов снижения электропотребления является использование в более полной мере способности СД работать с оптимальным потреблением тока в зависимости от напряжения сети и нагрузки на валу двигателя. Реализация такого режима обеспечивается соответствующими системами автоматического регулирования возбуждения (АРВ). Разработка и внедрение систем АРВ СД позволяет использовать с полной отдачей уже установленное оборудование и получить значительный экономический эффект практически без дополнительных капитальных затрат.

В результате исследований режимов работы синхронных электроприводов, проведенных в подразделениях ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» («ММК»), установлено, что большая часть СД, оборудованных быстродействующими системами АРВ, работает в разомкнутой системе с постоянным током возбуждения. Основными причинами этого является моральный и физический износ, низкая эксплуатационная надежность существующих тиристорных возбудителей, большинство из которых изготовлены в 70-е-80-е годы. Очевидно, что подобная ситуация сложилась на большинстве отечественных металлургических предприятий.

Отсутствие автоматического регулирования возбуждения отрицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках синхронного электропривода: энергетических показателях, устойчивости в режимах изменения нагрузки и соответственно на надежности. Вместе с тем, как показали результаты литературного обзора, исследования в направлении разработки систем АРВ СД, обеспечивающих улучшение эксплуатационных характеристик, в последние годы практически не проводятся.

При существующем состоянии металлургии и, в частности, прокатного производства использование сетевых СД, работающих с постоянной скоростью, является оправданным.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка систем автоматического регулирования возбуждения синхронных электроприводов, обеспечивающих улучшение энергетических характеристик и показателей надежности в различных режимах изменения нагрузки.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Анализ энергетических показателей синхронных двигателей, оценка резервов реактивной мощности СД (на примере ОАО «ММК»), с целью определения приоритетных направлений разработки перспективных систем АРВ.

2. Разработка системы АРВ СД, обеспечивающей уменьшение потерь электрической энергии за счет снижения потребления реактивной мощности.

3. Разработка способов управления и систем АРВ, обеспечивающих повышение надежности путем демпфирования колебаний ротора в режимах ударного изменения нагрузки, а также контроля теплового состояния СД.

4. Разработка математической модели синхронного электропривода, снабженного предложенными системами АРВ, исследование динамических режимов методами математического моделирования.

5. Создание лабораторной установки, экспериментальные исследования разработанных и известных электроприводов, сравнительный анализ динамических характеристик.

6. Промышленная реализация, оценка технико-экономических показателей разработанной системы АРВ СД с улучшенными энергетическими характеристиками.

Дополнительным требованием к разрабатываемым системам АРВ является простота в настройке и обслуживании, а также совместимость с системами управления отечественных тиристорных возбудителей.

Методика проведения исследований. Теоретические исследования основывались на положениях теории электропривода, теории автоматического регулирования, аналитической теории синхронной машины. При моделировании использовался программный пакет МАИЛБ 6.0, а также входящий в его состав пакет визуального программирования БГМиЬШК Экспериментальные исследования проводились на созданной лабораторной установке и действующем промышленном объекте путем прямого осциллографирования основных параметров с последующей их обработкой.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты оценки располагаемой реактивной мощности, анализа режимов нагрузки, динамических и энергетических характеристик СД ОАО «ММК».

2. Система векторного управления возбуждением СД со спокойной нагрузкой, обеспечивающая поддержание соь(р£д = 1, имеющая наиболее простую структуру по сравнению с известными трехконтурными системами АРВ.

3. Способы и устройства АРВ, обеспечивающие улучшение демпфирования колебаний ротора СД в режиме ударного приложения нагрузки.

4. Способ непрерывного контроля и автоматического регулирования теплового состояния СД в функции среднеквадратичного тока обмотки возбуждения, позволяющий увеличить надежность работы двигателя без установки специальных датчиков теплового состояния.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтвердившие существенное улучшение динамических и энергетических характеристик электропривода в разработанных системах АРВ и повышение показателей надежности.

6. Результаты промышленного применения системы векторного управления возбуждением синхронного электропривода турбокомпрессора 10000 кВт ВТК-4 ОАО «ММК», подтвердившие высокую технико-экономическую эффективность ее применения.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением методов математического моделирования, практической реализацией и экспериментальными исследованиями разработанных систем АРВ СД в лабораторных и промышленных условиях.

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

1. Разработана система векторного управления синхронным двигателем, реализующая способ, обеспечивающий поддержание независимо от режима нагрузки.

2. Разработаны способ и устройство АРВ СД преобразовательного агрегата, обеспечивающие демпфирование колебаний ротора в режиме ударного изменения нагрузки путем автоматического регулирования возбуждения в функции разности электромагнитной мощности и мощности на валу СД.

3. Разработаны способ и устройство АРВ СД, обеспечивающие улучшение демпфирования колебаний ротора за счет введения обратной связи по активной составляющей тока статора и его производной.

4. Разработаны способ и устройство АРВ в функции разности полного тока статора и его активной составляющей, обеспечивающие улучшение динамических показателей СД.

5. Разработан способ непрерывного контроля и автоматического регулирования теплового состояния СД в функции среднеквадратичного тока обмотки возбуждения, позволяющий повысить надежность работы электропривода без установки специальных датчиков теплового состояния.

6. В результате теоретических и экспериментальных исследований доказано, что разработанные системы АРВ обеспечивают улучшение энергетических характеристик синхронного электропривода в режиме плавного изменения нагрузки и улучшение динамических показателей и надежности при ударном изменении нагрузки.

7. Подтверждены принципиальная возможность и высокая технико-экономическая эффективность промышленного применения разработанной системы векторного управления синхронным электроприводом.

Новизна представленных разработок подтверждается пятью авторскими свидетельствами на изобретения.

Практическая ценность и реализация работы состоит в том, что в результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований

1. Разработаны устройства, позволяющие практически реализовать предложенные принципиально новые способы автоматического управления возбуждением, обеспечивающие улучшение эксплуатационных характеристик синхронного электропривода.

2. Создана действующая экспериментальная установка, позволяющая осуществить исследования разработанных систем автоматического регулирования возбуждения.

3. Разработанная система АРВ, реализующая принцип векторного управления, исполнена для синхронного двигателя турбокомпрессора 10000 кВт ВТК-4 в кислородном цехе ОАО «ММК». Показано, что она обеспечивает устойчивую работу СД с коэффициентом мощности, равным единице во всех технологических режимах. Ожидаемый технико-экономический эффект за счет снижения потерь электрической энергии составляет не менее 1 млн. кВт-ч/год.

4. Результаты диссертационной работы переданы в центральную электротехническую лабораторию ОАО «ММК» в виде «Рекомендаций по реконструкции систем автоматического регулирования возбуждения синхронных электроприводов с вентиляторной нагрузкой», что подтверждено соответствующим актом.

5. Полученные результаты рекомендуются для использования при наладке существующих систем АРВ СД агрегатов металлургического производства, а также при разработке новых систем АРВ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2004 (г. Магнитогорск, 2004 г.); Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» (г. Томск,

2003 г.); 62-й, 63-й научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ (г. Магнитогорск, МГТУ, 2003, 2004 г.г.); объединенном научном семинаре кафедр энергетического факультета и факультета автоматики и вычислительной техники МГТУ (г. Магнитогорск, декабрь

2004 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 16 печатных трудах, в том числе в пяти авторских свидетельствах на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 115 наименований. Работа изложена на 157 страницах основного текста, содержит 65 рисунков, 7 таблиц и приложение объемом 3 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении рассмотрено состояние проблемы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи работы, кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе выполнен анализ нагрузочных режимов синхронных двигателей с номинальной мощностью более 1 МВт, находящихся в эксплуатации в ОАО «ММК» (рис. 1). Общее количество двигателей более 150 ед., 65,5% из них работает со спокойной нагрузкой (компрессоры, насосы, вентиляторы и др.), остальные - с резкопеременной нагрузкой (главные электроприводы прокатных станов и преобразовательных агрегатов). Резерв реактивной мощности (располагаемая реактивная мощность) всех СД составляет около 300 МВАр, однако она не генерируется в сеть. Основной причиной этого являются низкая эксплуатационная надежность, невысокие технико-экономические показатели существующих тиристорных возбудителей.

Электроприводы, работающие со спокойной нагрузкой, в основном оснащены тиристорными возбудителями серий ТЕ, ТВ-4 выпуска 70-х-80-х годов с устаревшими системами регулирования. Электроприводы с резкопе-ременной нагрузкой, работающие на прокатных станах и в составе преобразовательных агрегатов, укомплектованы тиристорными возбудителями серии КТУ с системой подчиненного регулирования. Настройка и наладка таких систем, а также их поддержание в рабочем состоянии в условиях действующего производства вызывают большие затруднения. Вследствие этого СД работают без регулирования возбуждения (в разомкнутой системе АРВ).

Выполнен анализ законов АРВ мощных синхронных двигателей, применяемых на агрегатах металлургического производства. Автоматическое регулирование возбуждения строят по одному из следующих законов:

- на постоянство отдаваемой реактивной мощности (Q = const), целесообразно использовать для электроприводов средней и большой мощности с

резкопеременной и знакопеременной нагрузкой; реализация закона обеспечивает максимум выработки двигателем реактивной мощности, уровень которой ограничивается тепловым режимом;

- на постоянство двигателя выдача реактивной мощности зависит от величины нагрузки, потребности питающей сети не учитываются; рекомендуется для электроприводов с вентиляторной нагрузкой;

- закон АРВ на поддержание cos <р = const в узле нагрузки, реализацией этого закона можно достичь стабилизации мгновенного (а не средневзвешенного) значения нормативного COS <р на шинах, что способствует обеспечению минимальных потерь энергии в электрической сети;

- закон регулирования возбуждения на поддержание напряжения в узле нагрузки целесообразно реализовать, когда колебания напряжения превышают допустимые пределы.

В более поздних разработках систем АРВ регулирование осуществляется по более сложным законам. Например, для металлургических ЭП с резко-переменной нагрузкой предусматриваются законы регулирования, обеспечивающие постоянство выработки реактивной мощности и поддержание уровня напряжения сети в заданных пределах. Известна система АРВ в функции полного тока статора и его производных (токовое компаундирование), позволяющая автоматически поддерживать высокий коэффициент мощности при переменной нагрузке. Система повышает КПД и динамическую устойчивость двигателя.

Проведенный анализ известных законов АРВ СД позволил сделать следующие выводы:

- для двигателей со спокойной нагрузкой в большинстве случаев наиболее экономичным является режим работы с коэффициентом мощности cos<Pqj = 1, т.к. при этом обеспечивается минимум электрических потерь в

самом двигателе, возбуждение в этом случае должно регулироваться автоматически в зависимости от нагрузки на валу и напряжения питающей сети;

- для СД электроприводов клетей прокатных станов и преобразовательных агрегатов первостепенное значение имеют обеспечение надежности (устойчивой работы) путем демпфирования колебаний ротора, а также уменьшение времени переходного процесса при ударном приложении нагрузки.

Обеспечение этих условий принято как основное направление при дальнейшей разработке систем АРВ.

Далее в главе представлен краткий обзор систем АРВ СД, находящихся в промышленной эксплуатации. Рассмотрены системы АРВ на базе тири-сторных возбудителей серий ТЕ8-320, ТВУ, КТУ, ТВ, а также новые микропроцессорные системы АРВ, в частности разработки ЗАО "ЭРАСИБ" (г. Новосибирск).

Во второй главе выполнена оценка возможностей использования СД в качестве источника реактивной мощности (ИРМ). Определены математические зависимости, связывающие параметры СД и узла нагрузки. Выполнен расчет располагаемой реактивной мощности в зависимости от загрузки двигателя по активной составляющей и напряжения статорной обмотки. Для разработки системы АРВ, обеспечивающей минимизацию потерь, выполнена оценка влияния режима возбуждения СД на коэффициент мощности питающей сети, потери электроэнергии в двигателе и сети, угол нагрузки и соответственно на динамическую устойчивость электропривода.

Основными характеристиками, определяющими показатели СД и возможность использования его в качестве ИРМ, являются коэффициенты загрузки по активной ¡¡=Р/Рц, реактивной cl=Q/Qh мощностям и относительное напряжение y=U/UH на его зажимах. Техническая возможность такого использования СД ограничивается располагаемой реактивной мощностью -наибольшей величиной реактивной мощности, которую он может генерировать без нарушения условий допустимого нагрева обмоток и металлических частей статора и ротора.

В главе приведены зависимости располагаемой реактивной мощности от напряжения и нагрузки на валу двигателя черновой клети стана 2500 горячей прокатки ОАО «ММК». При номинальной нагрузке коэффициент а находится в пределах 0,6-1,6 при изменении у от 1,1 до 0,8. Полученные характеристики позволяют определить режим возбуждения двигателя при заданной генерируемой реактивной мощности. Анализ влияния режима возбуждения на активные потери показал, что суммарные потери активного характера в двигателе и сети, связанные с потреблением реактивной мощности, составляют около 250 тыс. кВт-ч/год, что предопределяет необходимость разработки системы АРВ, обеспечивающей улучшение энергетических характеристик.

Главной задачей, решаемой в главе, является разработка системы АРВ СД, обеспечивающей снижение потерь за счет обеспечения равенства cos (рСд = 1 независимо от статической нагрузки. В системе реализуется

принцип векторного управления. В его основе лежит представление тока возбуждения двумя ортогональными составляющими, одна из которых создаёт магнитный поток двигателя, а другая определяет электромагнитный момент при заданном напряжении:

Модули векторных величин определяются зависимостями

Операцию суммирования составляющих предлагается выполнять на переменном токе, как это показано на рис. 2, а. Предложенный способ реализован с помощью схемы, приведенной на рис. 2, б. На входы сумматора 1 поступают сигналы с выходов датчика тока, установленного в фазе А, и датчика линейного напряжения Vвс- Такое включение датчиков обеспечивает необходимый сдвиг в 90 эл. град, между током и напряжением Иве (рис. 2, а).

Устойчивый режим работы системы будет лишь в том случае, если этот ток является чисто активным, т.е. совпадающим по фазе с вектором 0А или ортогональным вектору напряжения С/вс . В этом режиме СД работает в нижнем экстремуме образной характеристики, что соответствует и оптимальному режиму СД с точки зрения потерь электрической энергии.

а б

Рис. 2.

Предложенная система отличается простотой, более высоким быстродействием, т.к. в ней применён один контур регулирования, обеспечивает устойчивый режим работы СД с минимальным значением тока статора при изменениях момента нагрузки и напряжения СД в рабочем диапазоне, а также форсировку возбуждения при снижении напряжения ниже допустимого. Она защищена авторским свидетельством на изобретение.

В третьей главе выполнена разработка синхронных электроприводов с улучшенными динамическими характеристиками и показателями устойчивости, обеспечиваемыми за счет демпфирования колебаний ротора в режиме ударного приложения нагрузки.

Наиболее полно выполнение этих требований реализует способ АРВ СД, согласно которому регулирование возбуждения осуществляется в функции разности электромагнитного момента СД и момента на его валу. В этом случае обеспечивается непрерывный контроль крутящего момента СД, а следовательно, углового положения его ротора. Однако вычисление сигналов, пропорциональных моментам, при требуемом высоком быстродействии аналоговой системы АРВ вызывает серьезные технические затруднения.

и

Показано, что электромагнитный момент СД с достаточной степенью точности можно определить путем вычисления его электромагнитной мощности, а момент статической нагрузки пропорционален мощности статической нагрузки на валу генератора постоянного тока преобразовательного агрегата (рис. 3). Разработаны способ и система АРВ СД преобразовательного агрегата в функции разности электромагнитной мощности РСд и мощности

на валу СД Рст.

Рис. 3.

В развитие рассмотренного способа, в качестве сигнала управления СД предложено использовать сигнал, пропорциональный отклонению полного тока статора от его активной составляющей 1аСд . Функциональная схема системы АРВ, реализующей этот способ, представлена на рис. 4. Показано, что сигнал, пропорциональный 1аСд, с достаточной точностью можно определить косвенным образом согласно зависимости Он формируется множительно-делительным устройством МДУ-2, на входы которого поступают сигналы обратных связей по току нагрузки с датчика тока нагрузки ДТН и по напряжению [/^ на двигателе постоянного тока - с выхода датчика напряжения нагрузки ДНН. На третий вход МДУ-2 подаётся сигнал обратной связи по линейному напряжению С/; цепи статора СД.

Наряду с рассмотренными, разработан способ АРВ, согласно которому для улучшения демпфирования колебаний ротора СД при изменении нагрузки вводится гибкая обратная связь по активной составляющей тока статора СД. При ударном приложении нагрузки изменения ия и ¡У/ не превышают нескольких процентов и производная активной составляющей тока СД пропорциональна производной тока двигателя постоянного тока.

на

Она может быть получена путем измерения падения напряжения 11 ко компенсационной обмотке двигателя постоянного тока (рис. 4).

В диссертационной

работе приведено подробное описание принципов работы предложенных устройств (рис. 3, рис. 4). Их новизна подтверждена тремя авторскими свидетельствами на изобретения.

В замкнутых системах АРВ необходимо обеспечить контроль теплового состояния СД, особенно обмотки возбуждения. В электроприводах со сравнительно коротким циклом прокатки значительно ухудшается тепловой режим двигателя. Это приводит к увеличению потерь электрической энергии, ухудшению состояния изо-Рис. 4 ляции и снижению срока её

службы, следовательно, к снижению надёжности работы СД.

В работе предложен способ управления, согласно которому для повышения надёжности СД за счёт автоматического контроля его теплового состояния вводится коррекция задания на ток возбуждения обратно пропорционально среднему превышению температуры, связанному с изменением тока возбуждения. Показано, что температура обмотки возбуждения прямо пропорциональна квадрату среднеквадратичного тока возбуждения, соответственно использование этой величины для контроля теплового состояния позволяет избежать установки термодатчиков. Это позволяет упростить устройство, реализующее способ и соответственно повысить его надёжность. На предложенный способ получено авторское свидетельство на изобретение.

Четвертая глава посвящена математическому моделированию разработанных синхронных электроприводов.

Математическая модель СД построена на основе зависимостей Парка-Горева во вращающейся системе координат, позволяющих перейти к системе уравнений с постоянными коэффициентами (рис. 5). Структурные схемы моделей разработанных систем АРВ соответствуют функциональным схемам, представленным на рис. 2 б, 3, 4. При разработке математического опи-

сания узла нагрузки учтены зависимости напряжения на шинах от тока двигателя при различных режимах возбуждения, а также активные и индуктивные сопротивлениям обмоток трансформатора и линии электропередачи.

Рис. 5.

Математическое моделирование проведено с помощью пакета 81тиИпк в среде Ма!аЬ. В качестве примера полученных результатов на рис. 6 представлены переходные процессы координат электропривода при ударном приложении нагрузки в системе с векторным управлением. Их сравнение с аналогичными процессами в наиболее близкой двухконтурной системе с регулятором реактивного тока показали, что предложенная система АРВ с векторным управлением обеспечивает лучшие динамические показатели регулирования координат СД. В частности, динамические отклонения реактивного тока в предлагаемой системе в 1,8 раза ниже, чем в известной, отклонения напряжения сети меньше в 2,7 раза.

Выполнена оценка показателей демпфирования колебаний в предложенной системе АРВ с корректирующей обратной связью по разности моментов. Результаты представлены на рис. 7, а. Рис. 7, б соответствует исходной системе без демпфирующей связи по отклонению моментов. Анализировались зависимости изменения электромагнитного момента двигателя М, угла нагрузки в, напряжения возбуждения [/у и тока возбуждения /у при уцар-

ном приложении номинальной нагрузки. В качестве объекта исследовался СД прокатного стана мощностью Ри = 17500 кВт.

О 1 2 3 1,0

Рис. 6.

а б

Рис. 7.

Анализ представленных кривых и других полученных результатов позволил сделать вывод об улучшении демпфирования колебаний и сокращении продолжительности переходного процесса. Аналогичные выводы сделаны по результатам моделирования других разработанных систем АРВ СД.

В пятой главе выполнены экспериментальные исследования разработанных систем АРВ СД на созданной лабораторной установке и представлены результаты промышленных испытаний синхронного электропривода, снабженного системой векторного управления возбужде-ниемПринципиальная схема установки представлена на рис. 8. На схеме приняты обозначения: Р - реакторы, имитирующие сопротивление питающей сети; СД - синхронный двигатель типа ЕС-52-4М101 мощностью 5 кВт; М -генератор постоянного тока ДП-51 мощностью 6 кВт.

Установка оснащена необходимыми датчиками и регуляторами, позволяющими реализовать как предлагаемые, так и аналогичные известные системы регулирования возбуждения. Обеспечена возможность плавного и ударного изменения нагрузки.

Основными задачами проведенных экс-Рис. 8. периментальныхиссле-

дований является оценка характеристик синхронного электропривода, снабженного разработанными системами АРВ, в динамических режимах, вызванных ударным изменением нагрузки.

Примеры осциллограмм в разомкнутой системе и при векторном управлении представлены на рис. 9, а и б, соответственно. Результаты оценки динамических показателей при различных способах регулирования возбуждения представлены в табл. 1. Сравнивались следующие системы АРВ: разомкнутая с заданием тока возбуждения «вручную» (строка 1 табл. 1), по производной тока нагрузки (строка 2), по отклонению тока (строка 3), комбинированное - по току нагрузки и его производной (строка 4), система векторного управления (строка 5). По результатам исследований сделан вывод о том, что любой из способов регулирования превосходит ручной по всем показателям и может быть предложен для реализации в условиях производства, в зависимости от конкретных требований потребителя электроэнергии.

Система векторного управления является более простой по сравнению с известными трехконтурными системами подчиненного регулирования. Вместе с тем, она обеспечивает удовлетворительные динамические показатели регулирования при одновременном поддержании коэффициента мощности, равным единице, при изменениях напряжения и нагрузки двигателя. Это подтверждает сделанные выше рекомендации о целесообразности ее использования при построении АРВ синхронных электроприводов, работающих со спокойной нагрузкой (компрессоров, насосов, вентиляторов).

Система АРВ, реализующая принцип векторного управления, смонтирована и налажена для СД турбокомпрессора 10000 кВт ВТК-4 кислородного цеха ОАО «ММК». Эксперименты, проведенные в цехе, показали, что исполненная система управления обеспечивает устойчивую работу СД с коэффи-

циентом мощности, равным единице ( соз(рСд =1) во всех технологических режимах.

t:

U '¡37В

l'ISA

If=6M

ли=о,т

б

Рис. 9.

Результаты экспериментов

Таблица 1

Способ регулирования Время переходного процесса 1„„, с Коэффициент перерегулирования ^ cm ах /1с.уст Падение напряжения в узле нагрузки AU, В

Ручное 6,2 2 3

г 7 J >,шч dt 5,2 1,75 2,7

4,8 1,37 1,2

4,9 1,65 2,1

Векторное 4,02 1,5 0,821

Экономический эффект от внедрения АРВ оценивался по снижению потерь электрической энергии в СД. До установки регулятора возбуждения (в существующей разомкнутой системе) выполнялось ручное задание тока возбуждения /у = 140 А. Суммарные потери в двигателе и процентное снижение

потерь мощности за счет векторного регулирования возбуждения представлены в табл. 2.

Таблица 2

Технико-экономические показатели применения системы векторного управления для СД турбокомпрессора 10000 кВт ВТК-4

Коэффициент Существующая Система векторного Снижение

загрузки система управления потерь

мощности

Р If,А ДРод.кВт I/,А АРсд, кВт Э,%

0,1 140 17 104,2 7,9 53,5

0,6 140 106,6 141,3 101,6 4,9

1,0 140 415 191,5 273 34,2

При условии, что турбокомпрессор 20% рабочего времени находится в режиме холостого хода, а остальное время работает с номинальной нагрузкой, экономия электроэнергии за год составляет

Э = 7i(A^01 - &РСД(и) + Т2 (Л^Д| 0 - APcms)) =1млн. кВт-ч/год.

Полученные результаты могут быть использованы при наладке существующих систем АРВ СД преобразовательных агрегатов металлургического и горнорудного производства, а также при разработке новых систем АРВ СД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показано, что резервы реактивной мощности синхронных двигателей ОАО «ММК» в настоящее время практически не используются, т.к. до 95% двигателей работают в разомкнутой системе регулирования возбуждения, в то время как их суммарная располагаемая реактивная мощность превышает 300 МВАр.

2. В результате анализа нагрузочных режимов синхронных двигателей ОАО «ММК» установлено, что около 65% двигателей работают с плавной (вентиляторной) нагрузкой и около 35% - с ударным изменением нагрузки. Определены критерии оптимального управления возбуждением СД, приоритетными из которых являются:

- обеспечение устойчивой работы за счет демпфирования колебаний ротора СД с ударным изменением нагрузки;

- минимизация потерь в двигателе за счет реализации закона на постоянство cos (р двигателя ( cos <Род = 1) при вентиляторной нагрузке;

- обеспечение теплового режима СД независимо от режима нагрузки.

3. Разработана система векторного управления синхронным двигателем, реализующая способ, обеспечивающий поддержание cos (рСд = 1 независимо

от режима нагрузки. Система имеет наиболее простую структуру и более высокое быстродействие по сравнению с известными трехконтурными системами автоматического регулирования возбуждения.

4. Предложены способ и устройство управления возбуждением СД преобразовательного агрегата, обеспечивающие демпфирование колебаний ротора в режиме ударного изменения нагрузки путем автоматического регулирования возбуждения в функции разности электромагнитной мощности и мощности на валу СД, которые определяются косвенным образом по напряжениям и токам сети и генератора постоянного тока, входящего в состав преобразовательного агрегата.

5. Разработаны способ и устройство АРВ СД, обеспечивающие улучшение демпфирования колебаний ротора за счет введения гибкой обратной связи по активной составляющей тока статора, определяемой косвенным образом по напряжению на компенсационной обмотке двигателя постоянного тока в составе преобразовательного агрегата.

6. Предложен способ непрерывного контроля и автоматического регулирования теплового состояния СД в функции среднеквадратичного тока обмотки возбуждения, позволяющий увеличить надежность работы двигателя без установки специальных датчиков теплового состояния. Разработано устройство, реализующее вычисление квадрата среднеквадратичного тока косвенным методом.

7. Разработана математическая модель предложенных систем АРВ СД, в основу положены нелинейные дифференциальные уравнения Парка-Горева, а также уравнения узла нагрузки. В результате математического моделирования переходных процессов основных координат электропривода черновой клети прокатного стана показано, что

- предложенная система АРВ с векторным управлением обеспечивает лучшие динамические показатели СД в режиме ударного изменения нагрузки по сравнению с показателями в аналогичной известной двухконтурной системе с регулятором реактивного тока;

- разработанные системы управления возбуждением пропорционально разности мощностей электромагнитной и на валу двигателя, а также по отклонению полного тока статора от его активной составляющей, обеспечивают повышение надёжности работы СД за счёт улучшения демпфирования колебаний ротора при ударном изменении нагрузки.

8. Создана действующая экспериментальная установка, позволяющая осуществить практическую реализацию известных и предложенных систем автоматического регулирования возбуждения. В результате экспериментальных исследований подтверждены достоверность полученных теоретических

результатов, работоспособность предложенных систем автоматического регулирования возбуждения, а также целесообразность их практического использования.

9. Система АРВ, реализующая принцип векторного управления, исполнена для синхронного двигателя турбокомпрессора 10000 кВт ВТК-4 в кислородном цехе ОАО «ММК». Исследования и эксплуатация системы показали, что она обеспечивает устойчивую работу СД с коэффициентом мощности, равным единице во всех технологических режимах. Ожидаемый технико-экономический эффект за счет снижения потерь электрической энергии составляет не менее 1 млн. кВт-ч/год.

10. Полученные результаты могут быть использованы при наладке существующих систем АРВ СД агрегатов металлургического производства, а также при разработке новых систем АРВ. В настоящее время результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в МГТУ им. Г.И. Носова в виде систем и алгоритмов управления СД действующей лабораторной установки.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах;

1. Шурыгина Г.В. Система векторного управления возбуждением синхронного двигателя с вентильной нагрузкой // Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы: Междунар. науч.-техн. конф.: Сб. статей -Томск,2003.-С. 82-84.

2. Шурыгина Г.В.. Возбуждение синхронных двигателей металлургических агрегатов с ударной нагрузкой // Материалы 62-й науч.-техн. конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2002-2003 гг. - Магнитогорск: МГТУ, 2003. - С. 140-142.

3. Основные направления модернизации систем управления синхронных двигателей / Г.П. Корнилов, Г.В. Шурыгина, Т.Р. Храмшин и др. // Труды IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2004. Ч. 2. - Магнитогорск, 2004. - С. 124 - 126.

4. Системы векторного регулирования возбуждения синхронного двигателя / Г.П. Корнилов, А.С. Лазоренко, Т.Р. Храмшин, Г.В. Шурыгина //Изв. вузов. Электромеханика. - 2004, №2. - С. 28-31.

5. Корнилов ГЛ., Шурыгина Г.В. Перспективы использования синхронных двигателей на ОАО «ММК» // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 9. - Магнитогорск: МГТУ, 2004. - С. 124-128.

6. Шурыгина Г.В., Семенов Е.А. Перспективы модернизации систем управления электроприводами на ОАО «ММК» //Материалы 63-й науч.-техн. конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2003-2004 гг.: Сб. докл. Т.2. - Магнитогорск: МГТУ, 2004. - С. 72-76.

7. Корнилов Г.П., Карандаев А.С., Шурыгина Г.В. Оптимальное регулирование возбуждения синхронного двигателя // Промышленная энергетика, 1990, №8.-С. 24-25.

8. Корнилов Г.П., Шурыгина Г.В., Самохин Ю.А.. Управление возбуждением синхронного двигателя преобразовательного агрегата с резко переменной нагрузкой // Промышленная энергетика, 1990, №3. - С. 24 - 26.

9. Корнилов Г.П., Шурыгина Г.В.. Динамика изменения реактивной мощности вентильных преобразователей постоянного тока // Промышленная энергетика, 1986, №7.- С. 46-49.

10. Корнилов Г.П., Карандаев А.С., Шурыгина Г.В. Исследование автоматизированного электропривода постоянного тока с компенсированным преобразователем // Электротехника. - 1985, №12. - С. 32-35.

11. Корнилов Г.П., Шурыгина Г.В. Проблемы экономии электроэнергии в промышленных электроприводах. - Деп. в ИНФОРМЭЛЕКТРО. Библ. Указатель ВИНИТИ, 1989, №7.- С. 152-175.

12. А.С. СССР № 1339862. Устройство для автоматического регулирования возбуждения синхронного двигателя преобразовательного агрегата / Г.В. Шурыгина, Г.П. Корнилов, А.С. Карандаев и др. Опубл. в Б.И. №35, 1987,МКИН02Р7/36.

13. А.С. СССР № 1451828. Устройство для автоматического регулирования возбуждения синхронного двигателя преобразовательного агрегата / Г.В. Шурыгина, Г.П. Корнилов, А.С. Карандаев. Опубл. в Б.И. №2, 1989, МКИ Н02Р7/36.

14. А.С. СССР № 1487145. Способ демпфирования колебаний синхронного двигателя преобразовательного агрегата / Г.В. Шурыгина, Г.П. Корнилов, И .А. Селиванов и др. Опубл. в Б.И. №22, 1989, МКИ, Н02Р9/14.

15. А.С. СССР № 1624658. Способ демпфирования колебаний синхронного двигателя преобразовательного агрегата / Г.В. Шурыгина, Г.П. Корнилов, А.С. Карандаев и др. Опубл. В Б.И. №4,1991, МКИ Н02Р9/14.

16. А.С. СССР №1663728. Устройство для автоматического регулирования тока возбуждения синхронного двигателя / Г.П. Корнилов, И.А. Селиванов, Г.В.Шурыгина, А.С. Карандаев. Опубл. в Б.И. №26, 1991, МКИ Н02Р9/14.

Подписано в печать 24.01.2005. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 33.

455000, Магнитогорск, прЛенина, 38 Полиграфический участок МГТУ

Of, 03 - Of Jf

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1. Анализ нагрузочных режимов синхронных двигателей электроприводов ОАО «ММК».

1.2. Требования, предъявляемые к системам АРВ СД.

1.3. Анализ показателей качества работы синхронных электроприводов.

1.4. Законы автоматического регулирования возбуждения СД.

1.4.1. Закон АРВ на постоянство реактивной мощности СД.

1.4.2. Законы АРВ на постоянство собф.

1.4.3. Закон АРВ на поддержание напряжения в узле нагрузки.

1.4.4. Законы комбинированного АРВ.

1.5. Анализ эксплуатируемых систем АРВ СД.

1.5.1. Системы АРВ СД на базе возбудителей серии ТЕ8

1.5.2. Системы АРВ СД серии ТВУ.

1.5.3. Системы АРВ СД серии КТУ.

1.5.4. Системы АРВ СД серии ТВ.

1.5.5. Микропроцессорная система АРВ.

1.6. Выводы и постановка задачи исследований.

Глава 2. РАЗРАБОТКА СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С УЛУЧШЕННЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

2.1. Характеристики СД как источника реактивной мощности.

2.2. Располагаемая реактивная мощность СД.

2.3. Влияние режима возбуждения СД на отклонение напряжения сети.

2.4. Влияние режима возбуждения на активные потери в СД.

2.5. Способ регулирования возбуждения СД, обеспечивающий минимум суммарных электрических потерь.

2.5.1. Принцип векторного управления.

2.5.2. Устройство для управления возбуждением.

ВЫВОДЫ.

Глава 3. РАЗРАБОТКА СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С УЛУЧШЕННЫМИ ДИНАМИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ И ПОКАЗАТЕЛЯМИ НАДЕЖНОСТИ.

3.1. Способ АРВ СД в функции активной мощности.

3.2. Способ регулирования по отклонению тока статора от его активной составляющей.

3.3. Способ АРВ по производной тока статора.

3.4. Способ контроля теплового состояния СД.

ВЫВОДЫ.

Глава 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ СИСТЕМ АРВ СД.

4.1. Разработка математической модели синхронного двигателя.

4.1.1. Уравнения состояния синхронного двигателя.

4.1.2. Система в относительных единицах.

4.1.3. Моделирование узла нагрузки.

4.1.4. Структурная схема модели СД.

4.2. Математическое моделирование системы векторного управления синхронным двигателем.

4.3. Исследование разработанных систем демпфирования колебаний ротора С Д.

4.3.1. Параметры математической модели.

4.3.2. Результаты исследования систем демпфирования колебаний.

4.3.3. Исследования систем АРВ с упреждением корректирующего сигнала.

ВЫВОДЫ.

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ СИСТЕМ АРВ СД.

5.1. Описание лабораторной экспериментальной установки.

5.2. Датчики параметров.

5.3. Исследования электроприводов при различных законах управления возбуждением СД.

5.3.1. Регулирование по току нагрузки и его производной.

5.3.2. Исследование системы векторного управления.

5.3.3. Регулирование по внутреннему углу в.

5.3.4. Регулирование по углу (р.

5.4. Промышленные испытания системы векторного управления.

5.4.1. Настройка АРВ СД в условиях цеха.

5.4.2. Оценка технико-экономической эффективности.

ВЫВОДЫ.

В настоящее время в России на единицу выпускаемой продукции расходуется в три раза больше энергетических ресурсов, чем в индустриально развитых странах мира, что делает нашу экономику неконкурентоспособной как на мировом, так и на внутреннем рынках [1-3]. Десятилетия неэффективного использования энергетических ресурсов создали огромный потенциал энергосбережения, достигающий 30—40% существующего энергопотребления [4].

Металлургические предприятия потребляют около 14% топлива и 12% вырабатываемой в России электроэнергии. В себестоимости металла доля энергетических ресурсов постоянно растет и за последнее десятилетие увеличилась с 18-22% до 35—45%. Это отрицательно влияет на возможности продвижения металла как на внутреннем, так и на внешнем рынках [5].

Важный резерв энергосбережения — эффективное использование электроэнергии и уменьшение ее потребления за счет сокращения потерь в электроприводах (ЭП) и электрических сетях путем компенсации реактивной мощности [6]. Наиболее энергоемкими электромеханическими устройствами металлургических и горно-рудных предприятий являются синхронные двигатели (СД), их единичная установленная мощность достигает 20 МВт. Суммарная мощность таких ЭП в узле нагрузки, как правило, составляет сотни тысяч кВА, а годовой расход электроэнергии - сотни млн. кВт.ч. Следовательно, поиски резервов экономии электроэнергии в указанных электроприводах наиболее актуальны [7-9].

Расширение области применения регулируемых электроприводов, обусловленное возросшей актуальностью проблемы энерго- и ресурсосбережения, определено как приоритетное направление развития автоматизированного электропривода в XXI веке [10, 11]. Одним из важнейших мероприятий в реализации данного направления является использование СД, снабженных системами автоматического регулирования возбуждения (АРВ), в качестве потребителей-регуляторов. Разработка и внедрение систем АРВ СД позволяет использовать с полной отдачей уже установленное оборудование и получить значительный экономический эффект практически без дополнительных капитальных затрат. Вместе с тем, использование компенсирующей способности синхронных двигателей не должно приводить к снижению устойчивости их работы и эксплуатационной надежности при ударной и резкопеременной нагрузке [12].

В результате исследований режимов работы синхронных электроприводов, проведенных в подразделениях ОАО «ММК», установлено, что большая часть СД, оборудованных быстродействующими системами АРВ, работает в разомкнутой системе с постоянным током возбуждения, величина которого находится в пределах от 0,8 до номинального [13]. Основными причинами этого является моральный и физический износ, низкая эксплуатационная надежность существующих тиристорных возбудителей. Большая часть тиристорных преобразователей-возбудителей, находящихся в эксплуатации на отечественных металлургических предприятиях, разработана и изготовлена в 70-е - 80-е годы прошлого века (преобразователи типов ТЕ, ТВ, ТВУ, КТУ). Их невысокая надёжность является серьёзной проблемой, т.к. аварийное отключение ответственного СД (или невозможность его запуска) ведет к значительным производственным издержкам. Поддержание такого оборудования в работоспособном состоянии требует постоянных затрат и усилий, а приобретение нового осложнено достаточно высокой стоимостью.

В последние годы разработан ряд автоматических регуляторов возбуждения синхронных двигателей, которые успешно эксплуатируются на различных промышленных объектах [14-16]. Патентные исследования и литературный обзор показывают, что применяемые системы АРВ не дают возможности полного использования компенсирующей способности синхронных двигателей. Сложившаяся практика эксплуатации СД привела к использованию систем АРВ в основном для повышения уровня локальной устойчивости узлов нагрузки или отдельных двигателей. При этом не принимается во внимание, что использование компенсирующей способности СД, оснащенных АРВ, не должно приводить к снижению надежности эксплуатации исполнительного механизма [17].

Оптимальный режим работы СД и выбор принципа построения системы АРВ определяются схемой и параметрами сети и характером нагрузки на его валу:

- спокойная и плавно меняющаяся (вентиляторная) нагрузка;

- ударная и резко-переменная нагрузка (электроприводы клетей прокатных станов, преобразовательных агрегатов, дробилок, мельниц, транспортеров и т.д.).

Для двигателей со спокойной нагрузкой в большинстве случаев наиболее экономичным является режим работы с коэффициентом мощности cos (рСд = 1, т.к. при этом обеспечивается минимум электрических потерь в самом двигателе. Возбуждение в этом случае регулируется автоматически в зависимости от нагрузки на валу и напряжения питающей сети [18, 19].

Для СД электроприводов клетей прокатных станов и преобразовательных агрегатов первостепенное значение имеют обеспечение надежности (устойчивой работы) путем демпфирования колебаний ротора, а также уменьшение времени переходного процесса при ударном приложении нагрузки [20, 21].

При разработке систем АРВ необходимо решение таких вопросов как определение тока возбуждения двигателя в различных режимах, оценка компенсирующей способности (располагаемой реактивной мощности), потерь энергии на возбуждение и др. Вместе с тем, важнейшим требованием остается обеспечение надежности за счет повышения устойчивости в динамических режимах, а также за счет обеспечения тепловой устойчивости СД [22].

Целью диссертационной работы является разработка систем автоматического регулирования возбуждения синхронных электроприводов, обеспечивающих улучшение энергетических характеристик и показателей надежности в различных режимах изменения нагрузки.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

1. Анализ энергетических показателей синхронных двигателей, оценка резервов реактивной мощности СД (на примере ОАО «ММК»), с целью определения приоритетных направлений разработки систем АРВ, обеспечивающих улучшение эксплуатационных характеристик.

2. Разработка системы АРВ СД, обеспечивающей уменьшение потерь электрической энергии в двигателе и элементах питающей сети за счет снижения потребления реактивной мощности.

3. Разработка способов управления и систем АРВ, обеспечивающих повышение надежности путем демпфирования колебаний ротора в режимах ударного изменения нагрузки, а также непрерывного контроля теплового состояния СД.

4. Разработка математической модели синхронного электропривода, снабженного предложенными системами АРВ. Проведение исследований динамических режимов методами математического моделирования.

5. Создание лабораторной установки, экспериментальные исследования разработанных и известных электроприводов, с целью сопоставительного анализа динамических показателей.

6. Промышленная реализация, оценка технико-экономических показателей разработанных систем АРВ СД.

При разработке систем АРВ СД должно учитываться, что силовое электрооборудование и силовая часть тиристорных преобразователей эксплуатируемых агрегатов находятся, как правило, в удовлетворительном состоянии. Поэтому дополнительным требованием к разрабатываемым системам АРВ должны стать простота в настройке и обслуживании, а также совместимость с системами управления отечественных тиристорных возбудителей. В связи с этим целесообразна разработка новых систем АРВ на аналоговых элементах электронной техники.

Содержание работы изложено в пяти главах:

В первой главе выполнен анализ требований, предъявляемых к синхронному двигателю как элементу электропривода и как к элементу системы электроснабжения. Представлены результаты анализа известных способов автоматического регулирования возбуждения СД, а также систем АРВ, находящихся в эксплуатации на действующих агрегатах металлургического производства. Определены основные направления разработки перспективных систем АРВ СД, обеспечивающих улучшение энергетических и динамических показателей.

Во второй главе представлены математические зависимости, связывающие параметры СД и узла нагрузки, дана оценка располагаемой реактивной мощности двигателей, проанализировано влияние режима возбуждения на коэффициент мощности, угол нагрузки и динамическую устойчивость электропривода. Выполнена разработка системы векторного управления возбуждением, обеспечивающей поддержание созср—1 независимо от режима нагрузки СД.

В третьей главе разработаны способы управления, обеспечивающие демпфирование колебаний ротора в режиме ударного изменения нагрузки путем автоматического регулирования возбуждения в функции разности электромагнитной мощности и мощности на валу СД и за счет введения гибкой обратной связи по активной составляющей тока статора. Предложен способ непрерывного контроля теплового состояния СД без установки специальных термодатчиков. Рассмотрены схемы систем АРВ, реализующих предложенные способы.

В четвертой главе разработана математическая модель предложенных систем АРВ СД, включающая математическое описание синхронного двигателя на основе зависимостей Парка-Горева и математическое описание узла питающей сети. Выполнены исследования показателей качества регулирования в динамических режимах, вызванных ударным изменением нагрузки а также сравнительный анализ динамических показателей СД в разработанных и известных системах АРВ.

В пятой главе представлены описание созданной лабораторной установки и результаты экспериментальных исследований предложенных и известных систем АРВ СД. Рассмотрены результаты промышленной реализации системы векторного управления, выполнена оценка технико-экономической эффективности ее внедрения.

По содержанию диссертационной работы опубликовано 16 научных трудов (в том числе 5 авторских свидетельств на изобретения). Полученные результаты докладывались и обсуждались на четырех научно-технических конференциях (в том числе двух международных).

ВЫВОДЫ

1. Создана действующая экспериментальная установка на базе серийно выпускаемого синхронного двигателя, оснащенная датчиками параметров СД, позволяющая осуществить практическую реализацию известных и предложенных систем автоматического регулирования возбуждения, а также их исследование как в режимах ударного, так и плавного изменения нагрузки.

2. Выполнены экспериментальные исследования предложенных систем АРВ по отклонению тока (момента) и известных системах АРВ по току нагрузки и его производной, в результате которых показано, что предложенные системы обеспечивают устойчивую работу и более высокие динамические показатели в режимах ударного изменения нагрузки.

3. Дано экспериментальное подтверждение сделанного ранее вывода, что предложенная система векторного управления обеспечивает динамические показатели регулирования, аналогичные показателям в известных системах, и лучшие энергетические показатели за счет поддержания коэффициента мощности равным единице независимо от нагрузки СД.

4. Система АРВ, реализующая принцип векторного управления, исполнена для СД турбокомпрессора 10000 кВт ВТК-4 в кислородном цехе ОАО «ММК». Исследования и эксплуатация системы показали, что она обеспечивает устойчивую работу СД с коэффициентом мощности, равным единице во всех технологических режимах. Ожидаемая экономия электрической энергии за счет снижения потерь мощности в СД составляет не менее 1 млн. кВт-ч/год.

144

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показано, что резервы реактивной мощности синхронных двигателей ОАО «ММК» в настоящее время практически не используются, т.к. до 95% двигателей работают в разомкнутой системе регулирования возбуждения, в то время как их суммарная располагаемая реактивная мощность превышает 300 MB Ар.

2. В результате анализа нагрузочных режимов синхронных двигателей ОАО «ММК» установлено, что около 65% двигателей работают с плавной (вентиляторной) нагрузкой и около 35% - с ударным изменением нагрузки. Определены критерии оптимального управления возбуждением СД, приоритетными из которых являются:

-обеспечение устойчивой работы за счет демпфирования колебаний ротора СД с ударным изменением нагрузки;

- минимизация потерь в двигателе за счет реализации закона на постоянство cos ср двигателя {со8(рсд = 1) при вентиляторной нагрузке;

- обеспечение теплового режима СД независимо от режима нагрузки.

3. Разработана система векторного управления синхронным двигателем, реализующая способ, обеспечивающий поддержание cos<pCM =1 независимо от режима нагрузки. Система имеет наиболее простую структуру и более высокое быстродействие по сравнению с известными трехконтурными системами автоматического регулирования возбуждения.

4. Предложены способ и устройство управления возбуждением СД преобразовательного агрегата, обеспечивающие демпфирование колебаний ротора в режиме ударного изменения нагрузки путем автоматического регулирования возбуждения в функции разности электромагнитной мощности и мощности на валу СД, которые определяются косвенным образом по напряжениям и токам сети и генератора постоянного тока, входящего в состав преобразовательного агрегата.

5. Разработаны способ и устройство АРВ СД, обеспечивающие улучшение демпфирования колебаний ротора за счет введения гибкой обратной связи по активной составляющей тока статора, определяемой косвенным образом по напряжению на компенсационной обмотке двигателя постоянного тока в составе преобразовательного агрегата.

6. Предложен способ непрерывного контроля и автоматического регулирования теплового состояния СД в функции среднеквадратичного тока обмотки возбуждения, позволяющий увеличить надежность работы двигателя без установки специальных датчиков теплового состояния. Разработано устройство, реализующее вычисление квадрата среднеквадратичного тока косвенным методом.

7. Разработана математическая модель предложенных систем АРВ СД, в основу которой положены нелинейные дифференциальные уравнения Парка-Горева, а также уравнения узла нагрузки. В результате математического моделирования переходных процессов основных координат электропривода черновой клети прокатного стана показано, что

- предложенная система АРВ с векторным управлением обеспечивает лучшие динамические показатели СД в режиме ударного изменения нагрузки по сравнению с показателями в аналогичной известной двухконтурной системе с регулятором реактивного тока;

- разработанные системы управления возбуждением пропорционально разности мощностей электромагнитной и на валу двигателя, а также по отклонению полного тока статора от его активной составляющей, обеспечивают повышение надёжности работы СД за счёт улучшения демпфирования колебаний ротора при ударном изменении нагрузки.

8. Создана действующая экспериментальная установка, позволяющая осуществить практическую реализацию известных и предложенных систем автоматического регулирования возбуждения. В результате экспериментальных исследований подтверждены достоверность полученных теоретических результатов, работоспособность предложенных систем автоматического регулирования возбуждения, а также целесообразность их практического использования.

9. Система АРВ, реализующая принцип векторного управления, исполнена для синхронного двигателя турбокомпрессора 10000 кВт ВТК-4 в кислородном цехе ОАО «ММК». Исследования и эксплуатация системы показали, что она обеспечивает устойчивую работу СД с коэффициентом мощности, равным единице во всех технологических режимах. Ожидаемый технико-экономический эффект за счет снижения потерь электрической энергии составляет не менее 1 млн. кВт-ч/год.

10. Полученные результаты могут быть использованы при наладке существующих систем АРВ СД агрегатов металлургического производства, а также при разработке новых систем АРВ. В настоящее время результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в МГТУ им. Г.И. Носова в виде систем и алгоритмов управления СД действующей лабораторной установки.

147

1. Никифиров Г.В., Олейников В.К., Заславец Б.И. Энергосбережение и управление энергопотреблением в металлургическом производстве. -М.: Энергоатомиздат, 2003. - 480 с.

2. Никифоров Г.В., Заславец Б.И. Энергосбережение на металлургических предприятиях. Магнитогорск: МГТУ, 2000. - 283 с.

3. Ильинский Н.Ф., Юньков М.Г. Итоги развития и проблемы электропривода // Автоматизированнный электропривод. М.: Энергоатомиздат, 1990.-С. 4-14.

4. Олейников В.К., Никифоров Г.В. Анализ и управление электропотреблением на металлургических предприятиях. Магнитогорск: МГТУ, 1999.-219 с.

5. Тонкослябовые литейно-прокатные агрегаты для производства стальных полос: Учеб. Пособие / В.М. Салганик, И.Г. Гун, A.C. Карандаев, A.A. Радионов. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003. - 506 с.

6. Кочкин В.И., Нечаев О.П. Применение статических компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий. М.: НЦ ЭНАС, 2002. - 248 с.

7. Карандаев A.C. Энергосбережение приоритетное направление научных исследований энергетического факультета Магнитогорского государственного технического университета // Изв. вузов. Электромеханика, 2004. №2.-С. 5-10.

8. Исмагилов К.В., Заславец Б.И. Экономия электроэнергии на открытых горных разработках. Магнитогорск: МГТУ, 1999. - 99 с

9. Кочетков В.Д., Козырев С.К. Состояние и тенденции развития автоматизированного электропривода в XXI веке // Труды IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2004. Ч. 1. Магнитогорск, 2004. - С. 5 - 8.

10. Шурыгина Г.В. Возбуждение синхронных двигателей металлургических агрегатов с ударной нагрузкой // Материалы 62-й науч.-техн. конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2002-2003 гг. Магнитогорск: МГТУ, 2003. - С. 140-142.

11. Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Ладыгичев М.Г. Хрестоматия энергосбережения: Справочное издание: В 2-х книгах. Книга 1 / Под ред. В.Г. Лисиенко. -М.: Теплоэнергетик, 2002. 668 с.

12. Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Ладыгичев М.Г. Хрестоматия энергосбережения: Справочное издание: В 2-х книгах. Книга 2 / Под ред. В.Г. Лисиенко. М.: Теплоэнергетик, 2002. — 768 с.

13. Абрамович Б.Н., Круглый A.A. Возбуждение, регулирование и устойчивость синхронных двигателей Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 767 с.

14. Абакумов А.М., Мигачева Л.А., Шварц Г.Р. Оптимальное управление реактивной мощностью синхронного двигателя при случайных возмущениях // Электричество, 1998, №6. - С.46 - 49.

15. Корнилов Г.П., Карандаев A.C., Шурыгина Г.В. Оптимальное регулирование возбуждения синхронного двигателя // Промышленная энергетика, 1990, №8. С. 24-25.

16. Корнилов Г.П., Шурыгина Г.В., Самохин Ю.А. Управление возбуждением синхронного двигателя преобразовательного агрегата с резко переменной нагрузкой // Промышленная энергетика, 1990, №3. С. 24 -26.

17. Корнилов Г.П., Шурыгина Г.В. Динамика изменения реактивной мощности вентильных преобразователей постоянного тока // Промышленная энергетика, 1986, №7.- С. 46-49.

18. Логинов С.И., Михайлов В.В. Всесоюзное совещание по автоматическому регулированию и системам возбуждения синхронных двигателей // Электричество, 1964, №7. С. 85 - 87.

19. Корнилов Г.П., Шурыгина Г.В. Перспективы использования синхронных двигателей на ОАО «ММК» // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 9. Магнитогорск: МГТУ, 2004. - С. 124-128.

20. Вершинин П.П., Хашпер П.Я. Применение синхронных электроприводов в металлургии. М.: Металлургия, 1974. - 271 с.

21. Корнилов Г.П., Шурыгина Г.В. Проблемы экономии электроэнергии в промышленных электроприводах. Деп. в ИНФОРМЭЛЕКТРО. Библ. Указатель ВИНИТИ, 1989, №7. - С. 152 - 175.

22. Атанс М., Фалб П. Оптимальное управление. Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1968. - 764 с.

23. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. - 767 с.

24. Воронов A.A. Основы теории автоматического управления. Ч. 3. Оптимальные многосвязные и адаптивные системы. Л.: Энергия, 1970.

25. Квакернаак X., Сиван Н. Линейные оптимальные системы управления. Пер. с англ. М.-Л.: Мир, 1977. - 650 с.

26. Янушевский Р.Т. Теория линейных оптимальных многосвязных систем управления. М.: Наука, 1973.

27. Вейнгер A.M., Янко-Триницкий A.A. Критерий качества автоматического регулирования возбуждения крупных синхронных двигателей // Инструктивные указания по проектированию электротехнических промышленных установок, 1967, №7, С.З - 6.

28. Вейнгер A.M., Янко-Триницкий A.A. Приближенный закон оптимального регулирования возбуждения крупных синхронных двигателей // Инструктивные указания по проектированию электротехнических промышленных установок, 1968, №12. С. 7 - 12.

29. Красовский A.A., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 600 с.

30. Летов A.M. Аналитическое конструирование регуляторов //Автоматика и телемеханика, 1960, №4. С. 436 - 441.

31. Теория автоматического регулирования. Кн.2. Анализ и синтез линейных непрерывных и дискретных систем автоматического регулирования / Под ред. В. В. Солодовникова. М: Машиностроение, 1967. -679 с.

32. Петелин Д.П. Автоматическое управление синхронными электроприводами. -М.: Энергия, 1968. 193 с.

33. Корнилов Г.П., Карандаев A.C., Шурыгина Г.В. Исследование автоматизированного электропривода постоянного тока с компенсированным преобразователем // Электротехника. 1985, №12. - С. 32-35.

34. Корытин А. М., Бербенец И. И., Давиденко И. X. Синхронные приводы / Под ред. М.Г.Чиликина. М.: Энергия, 1967. - 80 с.

35. Вадатурский В. М., Круглый A.A., Домбровская З.Г. Системы возбуждения и регулирования синхронных двигателей и генераторов мощностью от 100 до 1000 кВт и свыше 1000 кВт. М.: Информэлектро, 1971.

36. Глебов И.А., Логинов С.И. Системы возбуждения и регулирования синхронных двигателей. Д.: Энергия, 1972. - 113 с.

37. Петелин Д.П. Автоматическое регулирование возбуждения синхронных двигателей. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. 104 с.

38. A.C. 534017 СССР. Автоматическое регулирование возбуждения синхронной машины // Н. Г. Бочкова, А. А. Круглый. Опубл. в Б.И., 1976, №40; МКИ Н02Р7/36.

39. Круглый A.A. Демпфирование колебаний ротора синхронного двигателя // Электротехника. 1973, №2. С. 37 - 39.

40. Вейнгер A.M. Автоматическое регулирование возбуждения крупных синхронных двигателей //Промышленная энергетика. 1967, №10. — С. 35—40.

41. A.C. СССР №162879. Способ автоматического регулирования возбуждения синхронного электродвигателя / A.M. Вейнгер, Б.С. Волокитин. Опубл. в Б.И. №11, 1964, МКИ Н02Р9/14.

42. Сивокобыленко В.Ф., Краснокутская Г.В. Управление возбуждением синхронного двигателя в режимах пуска и ресинхронизации // Электричество. 1998, №2. - С. 44—48.

43. Плесков В.И., Магазинник Г.Г. О применении синхронного привода для прокатных станов // Электричество, 1960, № 10. С. 31 - 34.

44. Гендельман Б.Р., Вайнтруб О.Ш., Швецов А.И. Применение синхронных двигателей в металлургическом электроприводе // Электротехническая промышленность. Сер. Электропривод. М.: Информэлектро. 1970, №5.-С. 81-87.

45. Петелин Д. П. Динамика синхронного привода поршневых компрессорных установок. М.: Машиностроение, 1976. - 159 с.

46. Урусов И.Д. Линейная теория колебаний синхронной машины. М.-Л.: А.Н.СССР, 1960.-166 с.

47. Корытин A.M., Бербенец И.И., Зимненко В.Т. Тиристорное возбуждение синхронных двигателей прокатных станов с автоматическим регулятором возбуждения // Электротехника. 1970, №2. С. 53 - 54.

48. Литкенс И.В. Определение запаса статической устойчивости послеа-варийного режима и пути его увеличения // Электричество. 1969, №4. -С. 9 18.

49. Литкенс И.В. Оценка эффективности АРВ сильного действия и синтез закона регулирования по условию демпфирования больших колебаний синхронной машины // Известия академии наук СССР. Энергетика и транспорт. 1970, №6. С. 74 -78.

50. Лутидзе Ш.И., Михневич Г.В., Тафт В.А. Введение в динамику синхронных машин и машинно-полупроводниковых систем. М.: Наука, 1973. - 336 с.

51. Возбудители серии ТЕ 8-320. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Харьков, 1977.

52. Возбудитель тиристорный, серии ТВ, техническое описание и инструкция по эксплуатации ИБП. 570.040ТО.

53. Возбудитель тиристорный ТВ, техническое описание. ИБ ГД. 615431.002 ТО.

54. Возбудитель ТЕ8 — 320 5. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ОВХ.463.122.ТО-Тамбов, 1986.

55. Разработка и испытание систем возбуждения синхронных двигателей преобразовательных агрегатов обжимных цехов ММК на базе промышленных систем серии КТУ ВС. Отчет, № гос. регистрации 75060753, науч. рук. Лукин А. Н. - Магнитогорск: МГМИ, 1976.

56. A.C. СССР №415777. Устройство для автоматического регулирования возбуждения синхронного двигателя / Я.М. Бер, A.M. Вейнгер и др. Опубл. в Б.И. №6, 1974, МКИ Н02Р 7/36.

57. Пути улучшения динамических свойств синхронного электропривода прокатных станов / И.В. Бородина, A.M. Вейнгер, А.Я. Оглоблин и др. // Электротехника, 1976, №5. С. 54—56.

58. Вайнтруб О.Ш., Вейнгер A.M., Гендельман Б.Р. Система управления синхронным двигателем с подчиненной структурой регулирования // Электричество, 1975, №4. С. 45 - 49.

59. Вейнгер A.M., Серый И.М. Исследование подчиненной системы автоматического регулирования возбуждения синхронного двигателя с регулятором скольжения // Промышленная энергетика. 1977, №5. - С. 34-36.

60. Вайнтруб О.Ш., Вейнгер A.M., Гендельман Б.Р. Система управления синхронным двигателем с подчиненной структурой регулирования // Электричество. 1975, №4. - С.45-49.

61. Герасимов Г.В., Колесов Д.А. Блок управления возбудителем синхронного двигателя // Электрика, 2003, №6. С. 16-20.

62. Першин Ю.С., Першина JI.M. Расчет оптимального режима работы синхронного двигателя // Электричество, 1981, №9. С. 30-33.

63. Першин Ю.С., Першина JI.M. Расчет тока возбуждения и потерь в синхронной машине в зависимости от характера нагрузки // Электричество, 1978, №3.-С. 57-62.

64. Першина JI.M., Фролова М.Е., Читипаховян С.П. Влияние режима работы синхронного двигателя на показатели работы сетей электроснабжения // Нефтяное хозяйство. 1983, №9.

65. Абрамович Б.Н., Коновалов Ю.В. Дополнительные потери активной мощности в синхронных двигателях при их работе в режиме компенсации реактивной мощности // Электричество. 1990, №5. - С. 34-38.

66. Федоров А.А., Ристхейн Э.М. Электроснабжение промышленных предприятий. М.: Энергия, 1981. - 360 с.

67. Орел О.А. Оптимизация режимов работы синхронного двигателя по критерию минимума электромагнитных потерь // Электричество. -1988, №3.- С. 75-76.

68. Jones L. D., Black Well D. Energy sawer power fartor controller for ey-nehronons motors // IEEE Transactions on Power Apparatus and System. -1983, №5.

69. A.C. СССР № 721890. Устройство для автоматического регулирования возбуждения синхронного двигателя /В.Г. Карев, B.JI. Кловский, Л.В. Лир. Опубл. в Б.И. №10, 1980, МКИ Н02Р9/14.

70. Системы векторного регулирования возбуждения синхронного двигателя / Г.П. Корнилов, А.С. Лазоренко, Т.Р. Храмшин, Г.В. Шурыгина //Изв. вузов. Электромеханика. 2004, №2. - С. 28-31.

71. А.С. СССР №1663728. Устройство для автоматического регулирования тока возбуждения синхронного двигателя / Г.П. Корнилов, И.А. Селиванов, Г.В .Шурыгина, А.С. Карандаев. Опубл. в Б.И. №26, 1991, МКИ Н02Р9/14.

72. Шурыгина Г.В. Система векторного управления возбуждением синхронного двигателя с вентильной нагрузкой // Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы: Междунар. науч.-техн. конф.: Сб. статей Томск, 2003. - С. 82-84.

73. Интегральные микросхемы: Справочник / Под ред. Т. В. Тарабрина. -М.: Энергоатомиздат, 1985. 528 с.

74. Вейнгер A.M., Серый И.М. Автоматическое регулирование возбуждения крупных синхронных двигателей при резкопеременной нагрузке // Инструктивные указания по проектированию электротехнических промышленных установок, 1968, №4. С. 15-21.

75. Орел O.A. Регулирование реактивной мощности крупного синхронного двигателя // Электричество. 1976, №3. - С. 77-80.

76. A.C. СССР № 1487145. Способ демпфирования колебаний синхронного двигателя преобразовательного агрегата / Г.В. Шурыгина, Г.П. Корнилов, И.А. Селиванов и др. Опубл. в Б.И. №22, 1989, МКИ, Н02Р9/14.

77. Чиликин М.Г., Сандлер A.C. Общий курс электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1981. - 576 с.

78. A.C. СССР № 817958. Способ регулирования возбуждения синхронного двигателя / A.B. Дабагян, В.Ф. Дудко и др. Опубл. В Б.И. №12, 1981, МКИ Н02Р 7/00, Н02К19/00.

79. A.C. СССР № 1451828. Устройство для автоматического регулирования возбуждения синхронного двигателя преобразовательного агрегата / Г.В. Шурыгина, Г.П. Корнилов, A.C. Карандаев. Опубл. в Б.И. №2, 1989, МКИ Н02Р7/36.

80. A.C. СССР № 1339862. Устройство для автоматического регулирования возбуждения синхронного двигателя преобразовательного агрегата / Г.В. Шурыгина, Г.П. Корнилов, A.C. Карандаев и др. Опубл. в Б.И. №35, 1987, МКИ Н02Р7/36.

81. A.C. СССР № 1624658. Способ демпфирования колебаний синхронного двигателя преобразовательного агрегата / Г.В. Шурыгина, Г.П. Корнилов, A.C. Карандаев и др. Опубл. В Б.И. №4, 1991, МКИ Н02Р9/14.

82. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник / Под ред. H.H. Горюнова-М.: Энергоатомиздат, 1984. 185 с.

83. Дендымарченко Н.И., Чейкунов А.И. Устройство измерения действующего значения тока преобразователя на основе ячеек УБСР-АИ //Электротехническая промышленность. Сер. Преобразовательная техника, 1983, №9.-С. 12-13.

84. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер A.C. Теория автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1979. - 615 с.

85. Мартынов В.М., Переслегин Н.Г. Автоматизированный электропривод в горной промышленности. — М.: Недра, 1977. — 375 с.

86. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. — JL: Энергия, 1980.-256 с.

87. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Высшая школа, 1985. - 535 с.

88. Горев A.A. Переходные процессы в синхронной машине. M.-JL: Гос-энергоиздат, 1950. - 552 с.

89. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей. -М.: Энергоатомиздат, 1984. — 240 с.

90. Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. M.-JL: Издательство АН СССР, 1962.

91. Страхов C.B. Переходные процессы в электрических цепях, содержащих машины переменного тока. — M.-JL: Госэнергоиздат, 1960. 247 с.

92. Янко-Триницкий A.A. Новый метод анализа работы синхронных двигателей при резко переменных нагрузках. M.-JL: Госэнергоиздат, 1958.

93. Трещев И.И., Копылов А.И., Прохоров В.А. Анализ динамических процессов в синхронных машинах по переходным функциям // Электричество. 1991, №9. - С. 54-58.

94. Адкинс Б. Общая теория электрических машин. M.-JL: Госэнергоиз-дат, 1960 - 272 с.

95. Кимбарк Э. Синхронные машины и устойчивость электрических систем. M.-JL: Госэнергоиздат, 1960. - 392 с.

96. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. М.-JI.: Госэнергоиздат, 1963. - 744 с.

97. КонкордиаЧ. Синхронные машины. -M.-JL: Госэнергоиздат, 1959.

98. Лайбль Т. Теория синхронных машин при переходных процессах. -M.-JL: Госэнергоиздат, 1957.

99. Важнов А.И. Электрические машины. JI.: Энергия, 1969. - 768 с.

100. Постников И.М. Обобщенная теория и переходные процессы электрических машин. М.: Высшая школа, 1975, - 319 с.

101. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Хачатрян Э.А. Устойчивость нагрузки электрических систем. М.: Энергоиздат, 1981. — 209 с.

102. Оглоблин А.Я., Сыромятников В.Я. Структурные схемы двигателей переменного тока. Магнитогорск: МГТУ, 2003. - 71 с.

103. Справочник по проектированию электропривода, силовых и осветительных установок / Под ред. Я. М. Болыпама, В. И. Круповича и М. Л. Самовера. -М.: Энергия, 1975. 728 с.

104. Рудаков В.В., Мартикайнен Р.П. Синтез электроприводов с последовательной коррекцией. Л.: Энергия, 1974. - 121 с.

105. Фомин Д.В. Разработка тиристорного электропривода с автоматическим регулированием возбуждения с улучшенными динамическими характеристиками. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Магнитогорск, 2003.-20 с.

106. Измерение углового положения вала синхронного двигателя индукционным импульсным датчиком / В.И. Косматов, Ю.В. Мерзляков, Г.Г.

107. Толмачев и др. //Оптимизация режимов работы систем электроприводов: Межвуз. сб. науч. трудов. Красноярск. - 2002. - С. 135 - 141.

108. Импульсный датчик скорости синхронного двигателя /В.И. Косматов, Ю.В. Мерзляков, Г.Г. Толмачев и др. //XII науч.-техн. Конф. «Электроприводы переменного тока» ЭППТ-01: Сб. тр. Екатеринбург: УГТУ, 2001.-С. 76-79.