Разработка и исследование пусковых устройств для высоковольтных электроприводов

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 трансформаторнотиристорных 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).

8. Результаты работы переданы в виде технического задания на реконструкцию эксгаустеров ОАО «Новокаолиновый ГОП» Челябинская обл. Ожидаемый экономический эффект составит 630 тыс. рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

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.

7. Стоимость предложенного трансформаторно-тиристорного пускового устройс тва для высоковольтных двигателей может оказаться в 3−4 раза дешевле аналогичных пусковых устройств ведущих отечественных фирм. Создание объектно-ориентированного трансформатора позволит существенно снизить стоимость ТТПУ.