Введение к работе
Актуальность темы. Необходимым условием нормального электроснабжения промышленного предприятия является его надежное обеспечение электрической энергией в необходимом количестве и определенного качества, которое регламентируется ГОСТ 13109-97. В условиях острого дефицита электроэнергии и ужесточения тарифов использование компенсирующих устройств (КУ) является одним из наиболее приемлемых вариантов решения проблемы энергосбережения.
Программа реформирования энергетики РФ и создание конкурентной среды полностью соответствует энергетической политике ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»), который в течение последних лет являлся признанным лидером на рынке металлургической продукции России и успешно работает на зарубежных рынках.
Существенное увеличение объемов производства и расширение сортамента выпускаемой продукции прокатных станов привело к повышению нагрузки понизительных трансформаторов и заметному снижению запаса мощности существующих подстанций. Данная проблема наиболее актуальна для широкополосного стана 2000 горячей прокатки, который является крупнейшим в России производителем горячекатаного листа. Установленная мощность тиристорных электроприводов (ЭП) стана более 140 МВт, а их энергетические характеристики далеки от оптимальных.
В связи с освоением новых специфических профилей значительно возрастают набросы реактивной мощности на шинах распределительных устройств РУ-10 кВ. Так, например, при прокатке трубной заготовки толщиной 14-18 мм скорость на выходе чистовой группы в несколько раз ниже скоростей, устанавливаемых при прокатке полос основного сортамента. Значительно снижается выпрямленное напряжение главных электроприводов, соответственно тиристорные преобразователи (ТП) работают в глубоко зарегулированном режиме с низким коэффициентом мощности (coscp = 0,3-4),4). Это значит, что реактивная мощность, потребляемая ТП, в 2-3 раза (и более) превышает активную. Дефицит реактивной мощности согласно расчетам превышает 90 Мвар, а коэффициент искажения синусоидальности напряжения составляет более 15%, что приводит к существенным потерям электроэнергии в смежных приемниках и питающей сети.
Вопросам улучшения энергетических показателей тиристорных ЭП прокатных станов и непосредственно разработке компенсирующих устройств посвящены работы многих отечественных научных школ, а также известных ученых в области электроэнергетики и энергосбережения. Однако в литературе до настоящего времени не содержится сведений о широком промышленном внедрении регулируемых компенсирующих устройств в тиристорных электроприводах отечественных прокатных станов.
Целью диссертационно» работы является разработка способа и автоматизированной системы управления реактивной мощностью в узле нагрузки широкополосного стана горячей прокатки, обеспечивающих снижение активных потерь за счет регулируемой компенсации реактивной мощности, улучшение гармонического состава тока и напряжения и повышение устойчивости работы стана.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Проведение теоретических и экспериментальных исследований воздействия тиристорных электроприводов клетей чистовой группы широкополосного стана горячей прокатки на питающую сеть. Расчет показателей качества электроэнергии на шинах 10 кВ и потребления реактивной мощности.
Разработка способа и системы автоматического управления реактивной мощностью и улучшения гармонического состава напряжения в системе электроснабжения стана.
Теоретические и экспериментальные исследования установившихся и динамических режимов в узле нагрузки, оснащенном разработанной системой управления.
Технико-экономическое обоснование внедрения разработанной системы на стане 2000 ОАО «ММК». Проведение экспериментальных исследований, разработка рекомендаций по внедрению результатов работы.
Методика проведения исследований. Теоретические исследования основывались на положениях теории электропривода и аналитической теории синхронной машины, математических методах теории автоматического регулирования, статистических методах обработки данных. При моделировании использовался пакет имитационного моделирования Simulink в среде Matlab. Экспериментальные исследования проводились на действующем прокатном стане путем прямого осциллографирования параметров электроприводов с последующей обработкой результатов.
Оснопные положения и результаты, выносимые на защиту:
Результаты исследования воздействия тиристорных электроприводов клетей чистовой группы широкополосного стана 2000 на питающую сеть.
Способ автоматического управления реактивной мощностью и улучшения гармонического состава тока и напряжения в узле нагрузки, за счет ступенчатого изменения мощности статических конденсаторов и плавной подстройки реактивной мощности синхронных двигателей (СД) путем автоматического регулирования тока возбуждения.
Алгоритм управления, согласно которому конденсаторные батареи (КБ) компенсируют постоянную составляющую реактивной мощности, величина которой определяется сортаментом прокатываемой полосы; колебания реактивной мощности устраняются за счет управления током возбуждения СД, работающего в режиме дополнительного регулятора.
Способ автоматического регулирования возбуждения СД с переменной структурой, обеспечивающий регулирование активной составляющей
тока статора при наличии нагрузки на валу СД и регулирование реактивной составляющей в режиме холостого хода.
Алгоритм и система управления реактивной мощностью КБ из условия, что расчетные мощности компенсирующих устройств по каждой секции 10 кВ составляют 18 Мвар с дискретой регулирования 3 Мвар, равной предельной мощности, генерируемой СД.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанной системы автоматического управления реактивной мощностью, подтвердившие работоспособность и 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 алгоритмов и систем в промышленных условиях на действующем прокатном стане 2000 ОАО «ММК».
Научная новизна состоит в следующем:
Теоретически и экспериментально обосновано построение системы управления реактивной мощностью на базе конденсаторной батареи с автоматическим переключением секций и плавного регулирования за счет использования компенсирующей способности синхронного двигателя.
Разработаны способ и система автомагического управления реактивной мощностью, обеспечивающие ступенчатое изменение мощности батарей статических конденсаторов и последующую плавную подстройку за счет автоматического регулирования тока возбуждения синхронного двигателя.
Разработан алгоритм управления, согласно которому батареи конденсаторов компенсируют условно постоянную составляющую реактивной мощности, а ее колебания при изменении нагрузок отдельных клетей устраняются за счет управления током возбуждения СД, работающего в режиме дополнительного регулятора.
Определены уровни располагаемой реактивной мощности синхронных двигателей черновой группы при различных программах прокатки при условии, что среднеквадратичный ток возбуждения за рабочий цикл не превысит номинального значения.
Разработан способ автоматического регулирования возбуждения СД с переменной структурой, обеспечивающий регулирование активной составляющей тока статора при наличии нагрузки на валу СД и регулирование реактивной составляющей в режиме холостого хода.
В результате теоретических и экспериментальных исследований доказано, что разработанная система автоматического управления реактивной мощностью обеспечивает снижение потребления реактивной мощности, улучшение гармонического состава тока и стабилизацию напряжения в узле нагрузки.
Практическая ценность заключается в следующем:
Разработано устройство, позволяющее практически реализовать принципиально новый способ автоматического управления реактивной мощностью в узле нагрузки 10 кВ широкополосного стана горячей прокатки, обеспечивающее регулируемую компенсацию реактивной мощности в зависимости от нагрузки главных электроприводов.
Разработан программно-технический комплекс, обеспечивающий запись и анализ мгновенных значений тока нагрузки и напряжения сети, выполненный на базе регистратора электрических сигналов РЭС-3 и персонального компьютера, позволяющий оценивать наличие высших гармонических составляющих, а также отслеживать динамику их изменения в процессе работы электроприемников.
Разработана и практически исполнена система управления тиристор-ным ключом, обеспечивающая бестоковую коммутацию конденсаторных батарей.
Разработанная система управления возбуждением СД с переключающейся структурой внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию в электроприводах черновой группы стана 2000 ОАО «ММК». Экспериментально доказано, что ее использование обеспечивает снижение потерь электрической энергии за счет регулируемой компенсации реактивной мощности и повышение динамической устойчивости СД в режиме ударного приложения нагрузки.
Полученные результаты рекомендуются для практического внедрения в системах электроснабжения действующих прокатных станов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на V Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007 (г. Санкт-Петербург, 2007 г.); Международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (г. Челябинск, 2007 г.); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2007 г.); 2-ой Международной научно-технической конференции «Создание и внедрение корпоративных информационных систем на промышленных предприятиях Российской Федерации» (г. Магнитогорск, 2007 г.); I Международной научно-практической конференции «Интехмет-2008» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.); 66-й, 67-й научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ (г. Магнитогорск, МГТУ, 2008,2009 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 14 печатных трудах, в том числе 3 в рецензируемых изданиях, получен патент РФ на полезную модель.
Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 89 наименований. Работа изложена
на 184 страницах основного текста, содержит 76 рисунков, 22 таблиц и приложения объемом 29 страниц.
