При всем многообразии электротермических установок, показаны на плакат 3, повышение уровня их энергоэффективности возможно благодаря использованию современных многофункциональных статических устройств, которые могут не только обеспечивать необходимые технологические параметры работы производственных потребителей электроэнергии, но и параллельно повысить уровень энергосбережения электрооборудования посредством компенсации реактивной мощности непосредственно в системах электроснабжения предприятия.
Плакат 4: На плакате 4 показаны способы Компенсации Реактивной
Бывают ТРАДИЦИОННЫЕ и ИННОВАЦИОННЫЕ. Эти Традиционные способы имеют недостатки, например:
Недостатки КОНДЕНСАТОРНЫЕ БАТАРЕИ связаны с особенностями их основного элемента – конденсатора:
- потери активной мощности в конденсаторах, прямо пропорциональные приложенному напряжению, частоте тока и емкости конденсатора и приводящие к их нагреву при непрерывной эксплуатации;
- сложность обеспечения устойчивости системы «конденсаторная батарея - сеть» ввиду резкой зависимости генерируемой конденсаторной установкой реактивной мощности от приложенного напряжения;
- слабая устойчивость конденсаторов против перенапряжений;
- чувствительность конденсаторной батареи к высшим гармоникам тока в сети, обуславливающая возникновение резонансных явлений, приводящих к выходу конденсаторов из строя, а также к их дополнительному нагреву.
Недостатки Синхронных двигателя:
– наличие вращающихся масс, необходимость сооружения фундамента для установки машины;
– высокие массогабаритные показатели;
– большая величина постоянной времени обмотки возбуждения, ограничивающая быстродействие машины как источника реактивной мощности;
– нецелесообразность применения при мощностях менее 50 кВт.
– относительно высокая стоимость.
В результате анализа недостатков этих способов, предлагаем применить управляемые компенсационных преобразователей при совмещении в отдельных установках генерации реактивной мощности и решении технологических задач - питание электротермических установок и генерация реактивной мощности емкостного характера для компенсации реактивной мощности индуктивного характера производственных потребителей.
Преимущество КОМПЕНСАЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ:
− отсутствие подвижных механических элементов;
− простота монтажа и установки на объекте;
− отсутствие ограничений в применении по минимальной рабочей мощности;
− низкие собственные потери активной мощности;
− достаточно высокое быстродействие;
− наличие защиты от резонансных явлений, либо полностью исключение их возникновения;
− плавная регулировка величины компенсации реактивной мощности обоих знаков;
− способность кроме компенсации реактивной мощности выполнять задачу по регулированию напряжения (тока) для питания электропривода технологической установки;
− простота интеграции во внешние автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) и электроснабжения предприятия;
− способность к длительной эксплуатации без обслуживающего персонала.
Плакат 5: на плакате 5 показана Принципиальная схема компенсационного преобразователя
Cấu tạo gồm: Компенсационный преобразователь включает в себя управляемый силовой преобразователь, неуправляемый выпрямитель с емкостью фильтра на зажимах постоянного тока, коммутирующие вентили и разделительные диоды. Обкладки емкости фильтра присоединены параллельно нагрузке через коммутирующие вентили. Управляемый силовой преобразователь подключен к нагрузке через разделительные диоды.
Плакат 6:
Наиболее распространен методов регулирования температурного режима — импульсное регулирование с использованием тиристорных регуляторов напряжения (ТРН).
Предложено алгоритмическое решение технологии повышения уровня энергосбережения в ряде электротермических установок, на основе тиристорных регуляторов мощности и компенсационных выпрямителей. Показан на плакате 6
Рисунок 4. Алгоритм работы системы управления ТРН электротермических установок сопротивления
Плакат 7
Для подтверждения эффективности предложенного принципа энергоэффективного управления ТРН, было проведено имитационное моделирование основных элементов силового электрического оборудования автоклавной установки в программной среде MatLab Simulink (Рисунок 5).
Рисунок 5. Имитационная модель электрической части электротермических установок сопротивления
Плакат 8
Современный уровень развития полупроводниковой силовой техники позволяет создавать многофункциональные устройства с совмещенными функциями регулирования основных параметров и компенсации реактивной мощности. В данной работе рассмотрен вопрос применения нового класса управляемых полупроводниковых выпрямителей (компенсационных выпрямителей) в качестве преобразователи мощности для электротермических установок.
На основании результатов проведенного математического анализа переходных процессов в управляемых выпрямителях, по средним значениям выпрямленного напряжения и тока, были определены энергетические показатели компенсационного выпрямителя, приведенные в графическом виде на плакате 8.
Рисунок 8. Графики потребляемой мощности управляемым компенсационным выпрямителя
Плакат 9
На основании определенной зависимости генерируемой реактивной мощности от угла управления выпрямителем α (на плакате 8), были проведены расчеты годового потребления электроэнергии на 1 кВА установленной мощности преобразователя, а также для вариаций суммарной мощности асинхронных двигателей производственного объекта показана на плакате 10.
Плакат 10
Эффективность применения компенсационных выпрямителей для асинхронных двигателей цеховой СЭС (50, 100, 500 кВт) показана на плакате 10.
Плакат 11
На указанной элементной базе компенсационного выпрямителя (КВ), была реализована общая имитационная модель КВ в среде Simulink (показана на плакате 11). Модель состоит из силовой части, системы управления и набора средств измерения и визуализации параметров преобразователя.
Плакат 12
На основании разработанной имитационной модели компенсационного выпрямителя на базе однооперационных тиристоров, были проведены расчеты напряжений на выходе преобразователя при работе его на двигательную нагрузку, результаты которых, в виде диаграмм приведены на рис. 10,11
Рисунок 10. Scope1, верхний вход - Ток фазы А сети
Рисунок 11. Scope2, нижний вход - Напряжение на нагрузке при включении КВ
Плакат 13
Что касается элементов, моделирующих нагрузку, то было рассмотрено два варианта. В качестве первого, рассмотрен тип электротермических установок дугового типа ДС с трансформаторной подстанции мощностью 400 кВА. Приведенная на плакате 13 модель системы электроснабжения СЭС цеха.
Плакат 14
В качестве второго объекта моделирования были рассмотрены электротермические установки нагрева типа печей сопротивления.
Анализ работы автоклавных установок среднего класса показывает, что эффект постоянного колебания напряжения будет тем значительней, чем меньше запас по установленной мощности имеет цеховой питающий трансформатор (на плакате 14)
Рисунок 14 Токи и напряжения имитационной модели автоклавной установки
Плакат 15
Для апробации схемотехнических решений и подтверждения результатов имитационного моделирования работы управляемых выпрямителей с принудительной коммутацией при опережающих и отстающих углах управления, была разработана физическая модель компенсационного выпрямителя (плакат 15).
Плакат 16
Часть полученных результатов физического моделирования представлена в виде осциллограмм напряжения в ключевых режимах КВ (плакат 16), при принудительной коммутации с опережающими углами управления. Полученные осциллограммы анализировались (с помощью разложения в гармонический ряд Фурье, с выделением основной и высших гармоник), на предмет соответствия уровня электромагнитной совместимости предлагаемого статического преобразователя нормируемым стандартам.
Плакат 17 Основные результаты работы
1. Произведён системный анализ существующих промышленных электротермических установок, применяемых для них способов и средств компенсации реактивной мощности.
2. Сформированы новые схемотехнические решения системы управления компенсационного выпрямителя в части совершенствования узлов принудительной коммутации.
3. Разработан алгоритм работы системы управления типовым статическим (тиристорным) регулятором напряжения для электротермических установок прямого нагрева, снижены дополнительные потери электроэнергии на 39-53%.
4. Разработаны имитационные модели дуговой печи при питании от однофазного компенсационного выпрямителя, общая имитационная модель трехфазного компенсационного выпрямителя и система электроснабжения сталеплавильной печи в среде MATLAB Simulink.
5. Разработана и апробирована физическая модель (лабораторного стенда) компенсационного выпрямителя и электротермической нагрузки, испытания которой подтвердило его многофункциональность и соответствие основным заявленным параметрам.