CC BY
31
УДК 621.314; 621.316
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Б.Н. Абрамович, В.В. Полищук, А. А. Веприков
Приведены научно-технические проблемы повышения энергоэффективности систем электроснабжения промышленных потребителей постоянного тока большой мощности. С использованием компьютерной модели подтверждена эффективность работы активных преобразователей в условиях электротехнологических установок постоянного тока. По результатам эксперимента на физическом объекте мощностью 0,5 МВт установлено, что значение коэффициента мощности находится в пределах 0,97... 0,98 на всём диапазоне регулирования тока нагрузки.
Ключевые слова: электролизёры, дуговая печь постоянного тока, активный преобразователь, коэффициент мощности, установленная мощность.
Электроэнергия постоянного тока широко применяется в электролизных установках для получения цветных и редкоземельных металлов, электродуговых сталеплавильных и вакуумных печах, мощных приводах сталепрокатных станов и прочих промышленных потребителях. Для управления ходом технологического процесса в вышеупомянутых установках используются регулируемые агрегаты с параметрическими источниками, дросселями насыщения и силовыми тиристорами [1]. Большую часть времени преобразовательные агрегаты установок электролиза работают на пониженном напряжении с ненулевым углом управления, из-за чего их коэффициент мощности составляет 0,7...0,91 [2, 3]. Источники питания дуговых печей постоянного тока имеют номинальный коэффициент мощности в пределах 0,85...0,94, но при глубоком регулировании тока он снижается до 0,6 [4]. Данное обстоятельство приводит к росту потребления реактивной мощности и завышению необходимой мощности электротехнического оборудования.
С целью снижения платы за заявленный максимум нагрузки на российских и зарубежных алюминиевых заводах проводились исследования дифференцированного во времени электроснабжения (модуляции тока) серии электролизеров. Результаты работы при диапазоне модуляции тока 10 % показали возможность эксплуатации электролизёров практически без снижения их технико-экономических показателей. При этом потребление энергии в часы «пик» снижалось на 16...17 % и более. Таким образом, на алюминиевых заводах в случае возникновения дефицита электроэнергии применение модуляции тока в пиковые периоды в энергосистемах является оправданным решением [5].
Полупроводниковые выпрямители приводят к возникновению высших гармоник в сетевом напряжении и потребляемом токе, что может приводить к нарушению электромагнитной совместимости системы электроснабжения предприятия с питающей сетью, нарушениям в работе автоматики, релейной защиты и в некоторых случаях самих вентильных преобразователей [6, 7]. Происходит ускоренное старение изоляции электрических машин, аппаратов и кабелей, что сопряжено со снижением надёжности электрооборудования. Использование систем управления выпрямленным напряжением усугубляет эти недостатки, в то же время возможность применения компенсирующих устройств на основе конденсаторных батарей в таких условиях ограничена из-за возможности их перегрузки токами высших гармоник и возникновения резонансных явлений [2, 7].
В этой связи представляется целесообразным решение задач, связанных с повышением энергоэффективности электроснабжения мощных промышленных потребителей постоянного тока путем введения в их состав активных преобразователей на основе IGBT-транзисторов. Это позволит снизить потребляемую из сети полную мощность, установленную мощность электрооборудования и обеспечит поддержание параметров качества электроэнергии в регламентируемых пределах.
Эволюция полупроводниковой техники привела к возможности создания преобразователей на модулях IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor - биполярный транзистор с изолированным затвором), каждый модуль может управлять потоком мощности до 2,1 МВт и способен пропускать постоянный ток до 3,6 кА. С учётом особенностей токовой балансировки количество непосредственно соединённых параллельных модулей ограничено погрешностью изготовления полупроводниковых элементов и несимметрией силовых и управляющих контуров [8]. Для увеличения тока нагрузки предлагается использовать параллельное соединение преобразовательных секций, каждая из которых получает питание от преобразовательного трансформатора [9, 10]. Структура системы электроснабжения с активными выпрямителями представлена на рис. 1.
Требуемый диапазон регулирования достигается путём управления коэффициентом трансформации групповых силовых трансформаторов. Использование активных выпрямителей с широтно-импульсной модуляцией для коррекции коэффициента мощности преобразователя % позволит снизить потребление активной мощности и поддерживать параметры качества электроэнергии на питающем присоединении в пределах действующих стандартов.
Для проверки предлагаемого решения в среде MATLAB Simulink была создана модель активного выпрямителя напряжения со следующими параметрами: частота сетевого напряжения fs = 50 Гц, ил = 380 В, внутреннее сопротивление питающей фазы Гф = 0,08 Ом; индуктивность и
активное сопротивление фазы токоограничивающего сетевого реактора Lp = 0,08 мГн, г = 0,6 мОм; активное сопротивление и индуктивность нагрузки Я = 0,4 Ом, Ld = 0,12 мГн, противоЭДС нагрузки Eп = 310 В; емкость конденсатора СФ = 32 мФ; напряжение стабилизации ис = 850 В. Напряжение на нагрузке изменялось в пределах (0,5...1) ином. При создании модели был принят ряд допущений: система питающих напряжений и преобразователь симметричные; питающие напряжения имеют синусоидальную форму; силовые ключи идеальные, их внутреннее сопротивление не зависит от температуры; отношение частоты коммутации к частоте основной гармоники питающего напряжения удовлетворяет соотношению N3 = fs / 1^) > 10; преобразователь вносит только высокочастотные искажения, т. е. гармоники с частотами, значительно превышающими частоту первой гармоники. Созданная модель и результаты, моделирования, приведены на рис. 2.
Рис. 1. Схема системы электроснабжения мощного потребителя
постоянного тока с применением активных выпрямителей: Т - групповые силовые трансформаторы; ПТ- преобразовательные трансформаторы; АВ - активные выпрямители; АВР - автоматический ввод резерва; Л - питающие линии;
СШ - сборные шины
Исследование приведённой модели позволило установить, что система электроснабжения с использованием активного выпрямителя с ши-ротно-импульсной модуляцией позволит синхронизировать фазы сетевого тока и напряжения и повысить % до 0,98...0,99 при поддержании параметров качества электроэнергии в регламентируемых пределах на всём диапазоне регулирования.
Discrete, ,njs= 2е-06 s.
► Vöbc Р -
■ labe Q -
Power {Positive-Sequence}
rL
0.0575б|
Q.Q67D9|
О
IGET Inverter
Scope
:
5 3 3
v-i
Measurement
Drossel LFC L=O.G SmH, R=0.0006 Orn-
□
Itafcc
U ab be Purest
Ud
SystemContral
а
*■ Ur II
: а !.. Щ -I
File Tools View Simulation Help
@ - © oo ® ш-ira-,[
Us (B)
ж
>c > X
¡5 [A)
W»
> f1 \ 'ЛЧ < J г "ч /
/ X, Ж /У" / У X \ <
«Wv г ''""Ii
0.96 0.962 0.964 0.966 0.966 0.97 0.972 0.974 0.976 0.978 0.S
Ready
0ffset=Û T=3.000
5 U, Il
лШ
File Tools View Simulation Help
0'.4в»1 ï-М'ЕЗ- f
Us (B)
ЕЕ
> *** V
V "H. 'S**
2000 1000
-1000 ■2000
15(A)
H Ч «лМ H «йЛ1 Vi, Мм.»,
/ ■у. ц ч Ча, <
0.46 0.462 0.464 0.466 0.466 0.47 0472 0.474 0.476 0.476 0.46
Ready
Qffset=(J T=3.000
б
в
Рис. 2. Созданная модель и результаты, полученные в ходе моделировании: а - модель активного выпрямителя для питания промышленной нагрузки постоянного тока, формы кривых напряжений и токов питающей сети для и=ином (б);
и=0,5ином (в)
312
Для экспериментальной проверки эффективности использования активных преобразователей были проведены исследования системы электроснабжения дуговой вакуумной печи 833Д с номинальной мощностью 0,5 МВт, суммарное число параллельно соединённых преобразователей с ЮВТ составило 90 шт., что соответствовало диапазону выпрямленного тока от 450 А до 13,5 кА с возможностью плавного регулирования. Максимальная величина постоянного тока одного блока составила 200 А при напряжении в 45 В, в номинальном режиме рабочий ток равен 150 А. Потребляемый из сети фазный ток достигал 840 А при токе нагрузки 12...13 кА. Коэффициент суммарных гармонических искажений напряжения на всём диапазоне регулирования не превышал 5,7 %, а коэффициент мощности исследуемого электротехнического комплекса составил 0,97...0,98. При номинальном токе дуги 12 кА коэффициент полезного действия электротехнического комплекса составил 0,77.
В ходе экспериментальных исследований была подтверждена возможность эффективной параллельной работы в составе системы электроснабжения промышленного потребителя постоянного тока как отдельных активных преобразователей, так и их секций, причём число параллельных секций может наращиваться практически без ограничений, что позволит снизить расчётную мощность электрооборудования и количество потребляемой электроэнергии.
Список литературы
1. Бобков В., Бобков А., Копырин В. Силовая преобразовательная техника для мощных электротехнологических установок постоянного тока Силовая электроника. 2004. №1. С. 66 - 68.
2. Сальников В.Г., Шевченко В.В. Эффективные системы электроснабжения предприятий цветной металлургии. М.: Изд-во «Металлургия», 1986. 320 с.
3.
Тиристорная преобразовательная техника в цветной металлургии / А.Д. Никулин, Л.С. Родштейн, В.Г. Сальников, В.А. Бобков. М.: Металлургия, 1983. 128 с.
4. Сафонов В.И. Электротехнологические установки: учебное пособие. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2014. 124 с.
5. Галевский Г.В., Минцис М.Я., Сиразутдинов Г.А. Металлургия алюминия: стабилизация и модуляция тока электролизной серии: монография. Новокузнецк: СибГИУ, 2011. 151 с.
6. Проектирование промышленных электрических сетей / В.И. Крупович, А.А. Ермилов, В.С. Иванов, Ю.В. Крупович; под ред. В.И. Круповича. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1979. 328 с.
313
7. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промышленных предприятий. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энерго-атомиздат, 2000. 331 с.
8. Проблемы параллельного и последовательного соединения IGBT. Ч. 1. Параллельная работа IGBT / А. Винтрих, У. Николаи, В. Тур-ски, Т. Рейман; пер. А. Колпаков, Е. Карташов // Силовая электроника. 2013. № 4. С. 67 - 74.
9. Абрамович Б.Н., Веприков А.А., Сычёв Ю.А. Повышение эффективности электротехнических преобразовательных комплексов для добычи и переработки полезных ископаемых // Горное оборудование и электромеханика. 2017. № 1. С. 7 - 12.
10. Повышение эффективности электротехнических преобразовательных комплексов для питания электролизёров алюминия / Б.Н. Абрамович, А.А. Веприков, Ю.А. Сычёв, К.А. Хомяков // Цветные металлы. 2016. № 10. С. 49 - 53.
Абрамович Борис Николаевич, д-р техн. наук, проф., babramov2bn@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Полищук Вадим Васильевич, канд. техн. наук, доц., v polishchuk a mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Петербургский энергетический институт повышения квалификации Министерства энергетики Российской Федерации,
Веприков Антон Андреевич, асп., veprikov.aspirantayandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
EFFICIENTPOWER SUPPLY SYSTEMS FOR INDUSTRIAL DIRECT CURRENT LOADS
B.N. Abramovich, V. V. Polishchuk, A.A. Veprikov
This article represents the scientific and technical problems of increasing the efficiency of power supply systems for industrial high power rating DC loads. Using computer models confirmed the efficiency of active converters in the conditions of electrotechnological DC units. The results of the experiment on the physical object with 0.5 MW active power rating, determined that the power factor sustained on 0,97-0,98 value throughout the control range of the load current.
Key words: electrolyzer, DC arc furnace, active converter, power factor, installed
power.
Abramovich Boris Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, babra-mov2bnamail. ru, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University,
Polishchuk Vadim VasiVevich, candidate of technical sciences, docent, v polishchukamail. ru, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Power Engineering and Professional Development Institute of Energy Ministry of the Russian Federation,
Veprikov Anton Andreevich, postgraduate, veprikov. aspirantayandex. ru, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University
314
