CC BY
18
Васин Сергей Александрович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
METHODOLOGY FOR ASSESSING THE ENERGY SUPPLY OF THE ON-BOARD ELECTRICAL COMPLEX OF PASSENGER CARS AT DIFFERENT LEVELS OF RATED
VOLTAGE
U.V. Brachunova, V.N. Kozlovsky, M.V. Shakursky, S.A. Vasin
The article presents the results of the development and implementation of a methodology for assessing the energy supply of the on-board electrical complex of passenger cars at various levels of nominal voltage.
Key words: motor vehicle, on-board electrical complex, energy supply.
Brachunova Uliana Viktorovna, postgraduate, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Shakursky Maxim Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, vigorsilenti-um@,mail.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Vasin Sergey Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-8-552-553
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ ДУГОВЫХ
СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
А.В. Вынгра, М.В. Кучерюкова, Д.В. Пелепаченко
Дуговые сталеплавильные печи (ДСП) широко используются в сталелитейной промышленности. Такие нагрузки вызывают пульсации напряжения и гармонические составляющие в сети, которые уменьшают эффективность энергосистемы предприятия и снижают коэффициент мощности. В статье рассмотрено построение модели для изучения влияния дуговой печи на энергосистему. Производен анализ показателей качества электроэнергии при работе ДСП на основе имитационной модели, реализованной в Matlab/Simulink. Модель дуги ДСП основана на частичной линеаризации вольт-амперной характеристики дуги. Так же, в исследуемой модели параллельно с ДСП добавлен статический компенсатор реактивной мощности (СКРМ) на основе активного фильтра. Произведено сравнение показателей качества электроэнергии при работе ДСП напрямую от источника и с добавлением СКРМ. Моделирование показало, что СКРМ позволяет снизить суммарный коэффициент гармонических составляющих более чем на 2,5 %.
Ключевые слова: дуговая сталеплавильная печь, моделирование, качество электроэнергии, активный фильтр.
С начала двадцатого века электродуговые печи широко использовались в промышленности для производства стали. Они используют тепло электрической дуги для достижения температуры, достаточной для расплавления металла. Благодаря своей гибкости электродуговая печь позволяет упростить процесс производства стали. Кроме
552
того, электродуговая печь является одним из наиболее загрязняющих окружающую среду устройств в системе из-за изменения мощности, вызванного ее работой [1]. Дуговая сталеплавильная печь переменного тока (ДСП) может рассматриваться как источник гармонических токов из-за ее очень сильно нелинейной работы. Она может генерировать четные, нечетные и даже гармоники, некратные частоте сети (интергармоники) [2,3]. Как правило, в этом типе источника питания преобладают гармонические токи нечетного порядка. Гармоники являются значимыми для порядков от 1 до 15, где их амплитуда может достигать 10% от основной. Гармоники, генерируемые печью, могут сильно искажать напряжение в энергосистеме предприятия. Кроме того, в ДСП подвержена большим колебаниям реактивная мощность. Поэтому вопрос внедрения устройства компенсации гармоник и реактивной мощности в цепи питания ДСП является актуальным.
Для изучения свойств ДСП необходимо построить модель трехфазной дуговой печи. Много исследований было проведено на модели однофазной цепи [4-5], в которых описывается отклонение гармонического состава напряжений фаз из-за неуравновешенности и нелинейности процесса плавки металла [2]. Электрическая дуга является нелинейной и изменчивой во времени. Метод во временной области основывается на вольт-амперных характеристиках (ВАХ) ДСП. Этот метод требует множества вычислительных мощностей [2].
Для компенсации реактивной мощности и для фильтрации гармоник, генерируемых ДСП, часто используются статические компенсаторы реактивной мощности (СКРМ), подключенный параллельно нагрузке. СКРМ — это электротехническое устройство, позволяющее быстро подключать реактивную мощность в сеть. Обычно СКРМ включает в себя один или несколько конденсаторов и дросселей, фиксированной емкости и индуктивности или ступенчато-переключаемых. СКРМ также может выступать как тиристорный или инверторный активный фильтр гармоник. Основная негативная сторона применения таких устройств - их высокая стоимость. Однако, применение СКРМ для уменьшения уровня гармонических составляющих тока и снижения реактивной мощности способно повысить энергоэффективность ДСП, тем самым снизив срок окупаемости устройства.
Проектирование математической модели нелинейной нагрузки ДСП. Для проектирования системы компенсации реактивной мощности и снижения уровня гармонических составляющих тока необходимо математически описать работу ДСП. Для исследования выбрана сталеплавильная печь ДСВ-5 со следующими характеристиками [6-7] (табл. 1).
Таблица 1
Характеристики исследуемой сталеплавильной печи_
Параметр Значение
Номинальная ёмкость 5 т
Мощность трансформатора 2800 кВА
Вторичное напряжение трансформатора 244-127 В
Число Фаз 3
Частота тока 50 Гц
Удельный расход электроэнергии на расплавление твердой завалки 440 кВт*ч/т
Максимальный ток печи 6600 А
Авторами работы [1] произведено моделирование дуговых коротких замыканий. Так как в ДСП происходят те же процессы образования дуги переменного тока, данная модель выбрана за основу нагрузки трехфазной ДСП.
Для моделирования используется реальная вольт-амперная характеристика (ВАХ) при работе ДСП на переменном токе (рис. 1). Здесь, ид - напряжение зажигания дуги, соответствующее току ¡1, и иг - напряжение гашения дуги, соответствующее току ¡2. Эти напряжения рассчитываются по длине дуги при работе дуговой печи. Для упро-
553
щения, реальная модель дуги линеаризуется двумя следующими линейными уравнениями, соответствующими отрезкам АВ и АС. Линейные отрезки ВАХ характеризуются фиксированными значениями сопротивлений 1 и 12, соответствующих наклонам отрезков АС и АВ. Отрезок CD симметричен от АВ до О.
-40» -КО -300 -250 -20» -150 -100 -50 О » 100 150 200 250 300 350 «С
Ток дуги,А
Рис. 1. Волъ-амперная характеристика работы ДСП: реальная и упрощенная
по трем точкам
Рассмотренные ВАХ описываются следующими уравнениями:
при < , < :
и = Я1/ ;
при , < , < ,2:
Я
и = Я2? + изд (1
Я1
при -,2 < , < :
Я
и = Я2Ц - изд (1
Я1
Также,
,,= 1 и ,2 = 1 - и д (.1 - .1).
12д
Я1 Я2 12 Я1
Для изучения влияния работы ДСП на энергосистему предприятия в Ма^аЬ Simulink составлена модель без компенсирующего устройства (рис.2).
Результаты моделирования. В результате моделирования получены осциллограммы тока и напряжения дуги сталеплавильной печи при пониженном входном напряжении. Как видно на рисунке, напряжение дуги переменного тока теряет свою синусоидальную форму, что негативно отражается на показателях синусоидальности сети. Так же, искаженная формы кривой напряжения при проявлении дугового замыкания создает в сети потребление реактивной мощности, что отражается на энергоэффективности системы в целом.
Трехфазый источик питания
Понижающий силовой трансформатор
015сге1е 5е-05 з.
УаЬс
э2 1—1 0 А 1аЬс
ьг
с2 ув? р— с " с
8 —/\ЛЛг_ ь
С с
Сопротивление ПЭП
А УзЬс
[аЬс
В я
ь
г:
•О
дуга 1
дуга 2
ДугаЭ
гл
■--Л/А—1 22
о+ААЛ-*-гз
Рис. 2. Модель ДСП в 81тиИнк
Рис. 3. Модель ДСП в 81тиИнк
Так же в ходе моделирования произведена оценка показателей качества электроэнергии по параметрам суммарного коэффициента гармонических составляющих, относительных амплитуд нечётных гармоник и коэффициента мощности (табл. 2).
Таблица 2
Оценка показателей качества электроэнергии _
Гармоники тока Гармоники напряжения Коэффициент мощности
СКГС(%) 5-я (%) 7-я (%) 11-я (%) СКГС(%) 5-я (%) 7-я (%) 11-я (%)
0,4 1 1,2 0,04 4,54 3,46 2,62 1,39 0,78
Для поиска путей снижения влияния несинусоидальности напряжения дуги на показатели качества электроэнергии реализована модель трехфазной ДСП c добавлением компенсирующего устройства, которая приведена на рис. 3. Для наглядности изменения реактивной мощности в модели повышен ток дуги. Как видно на рисунке,
устройство компенсации реактивной мощности (активный фильтр) подключается к точке соединения линий электропередач и вторичной обмотки понижающего трансформатора ДСП [8-9].
Статический компенсатор используется для управления реактивной мощностью и повышения стабильности электрической системы. Он также помогает регулировать напряжение в точке, где он подключен. Когда напряжение уменьшается, СКРМ отдает реактивную мощность в систему и наоборот [10].
Трехфазый источик Понижающий силовой питания трансформатор
Осциллограммы
Фильтр
Рис. 4. Модель ДСП с добавлением компенсирующего устройства в виде параллельного активного фильтра
В результате моделирования системы с компенсирующим устройством получены следующие осциллограммы (рис. 5). В качестве накопителя реактивной мощности в фильтре установлен конденсатор большой ёмкости. Передача мощности на него реализована с помощью трехфазного моста на MOSFET транзисторах. Управление мощностью происходит с применением d-q преобразования координат [11].
У,в; 1,А
Рис. 5. Результаты моделирования ДСП с устройством компенсации реактивной
мощности
556
На рис. 5 видно, что ток нагрузки несколько опережает напряжение сети. Таким образом в системе проявляется реактивно-емкостная нагрузка. Ток фильтра компенсирует ток нагрузки и возвращает ток сети синфазно с напряжением сети, тем самым компенсируя реактивную мощность. Таким образом, моделирование показало, что с помощью СКРМ на основе активного фильтра возможно повысить коэффициент мощности с 0,78 до 0,96 и снизить СКГС напряжения до 2%.
Заключение. В статье рассмотрено моделирование работы дуговой сталеплавильной печи, произведено исследования ДСП на предмет наличия гармоник и снижения коэффициента мощности. В результате проведенных исследований заключено, что компенсаторы реактивной мощности на основе активного фильтра позволяют значительно повысить коэффициент мощности при процессе дугового сталеплавления, тем самым повысив энергоэффективность работы системы. Так же, применение устройств активной фильтрации позволяют снизить негативное влияния гармонических составляющих напряжения, возникающих в системе при дуговом замыкании.
Список литературы
1. Беличенко Р.И. Моделирование дуговых коротких замыканий в электрических сетях // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. №12 (54). DOI: 10.18454/IRJ.2016.54.264.
2. Михайлов В.В. Математическое моделирование параллельного компенсатора мощности / В. В. Михайлов, М. В. Позднов // Технические науки в России и за рубежом : материалы II Междунар. науч. конф. Москва: Буки-Веди, 2012. С. 69-74.
3. Энергосбережение в современной дуговой сталеплавильной печи ДСП-120 / И. В. Глухов, Д. В. Мехряков, Г. В. Воронов [и др.] // Сталь. 2020. № 5. С. 21-23.
4. Захаров В.С. Современные способы снижения энергозатрат при производстве хладостойкой стали в печи ДСП-70 / В. С. Захаров, А. В. Казанцев // Высокие технологии в современной науке и технике (ВТСНТ-2018) // Сборник научных трудов VII Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, Томск, 26-30 ноября 2018 года / Под редакцией А.Н. Яковлева. Томск: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 2018. С. 193-194.
5. Рябчиков М.Ю. Моделирование низкочастотных возмущений электрических параметров в дуговой сталеплавильной печи переменного тока ДСП-180 / М. Ю. Рябчиков, Б. Н. Парсункин, Е. С. Рябчикова // Электрометаллургия. 2015. № 5. С. 31-40.
6. Парсункин Б.Н. Исследование влияния электрического режима ДСП на себестоимость выплавляемой стали / Б. Н. Парсункин, О. В. Петрова, Е. И. Полухина // Теория и технология металлургического производства. 2014. № 1(14). С. 44-46.
7. Авдеев Б.А. Интеллектуальные энергоэффективные системы морских судов // Вестник Керченского государственного морского технологического университета. 2021. № 4. С. 99-113. DOI 10.47404/2619-0605_2021_4_99.
8. Авдеев Б.А. Комплексные решения интеграции постоянного и переменного токов в адаптивных интеллектуальных распределительных сетях с помощью твердотельного трансформатора // Энергобезопасность и энергосбережение. 2022. № 3. С. 1520. DOI 10.18635/2071-2219-2022-3-15-20.
9. Tran L.N.H., Nguyen T.A.L. Optimizing Harmonic Filters in Static Var Compensator of Electric Arc Furnace to Enhance Power System Quality. In: Long, B.T., Kim, YH., Ishizaki, K., Toan, N.D., Parinov, I.A., Vu, N.P. (eds) Proceedings of the 2nd Annual International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development (MMMS2020). MMMS 2020. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham. DOI: 10.1007/978-3-030-69610-8_99.
10. Кучерюкова М.В. Повышение энергоэффективности технологических процессов применением электронных средств управления качеством электроэнергии // Образование, наука и молодежь 2022: Сборник трудов по материалам Научно-
практической конференции студентов и курсантов, Керчь, 26-30 сентября 2022 года. Керчь: Керченский государственный морской технологический университет, 2022. С. 27-30.
11. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023611158 Российская Федерация. Формирование управляющего сигнала силового активного фильтра для компенсации интергармонических составляющих тока : № 2022686734 : заявл. 28.12.2022 : опубл. 17.01.2023 / А. В. Вынгра ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Керченский государственный морской технологический университет».
Вынгра Алексей Викторович, преподаватель, [email protected], Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет,
Кучерюкова Маргарита Владимировна, магистрант, Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет,
Пелепаченко Даниил Вадимович, курсант, Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет
INCREASING THE EFFICIENCY OF THE POWER SYSTEM OF ELECTRIC ARC STEEL MELTING FURNACES
A.V. Vyngra, M.V. Kucheryukova, D. V. Pelepachenko
Arc steel furnaces (EAFs) are widely used in the steel industry. Such loads cause voltage ripple and harmonics in the network, which reduce the efficiency of the plant's power system and reduce the power factor. The article considers the construction of a model for studying the influence of an arc furnace on the power system. The analysis of power quality indicators during EAF operation is carried out on the basis of a simulation model implemented in Matlab/Simulink. The EAF arc model is based on a partial linearization of the current-voltage characteristic of the arc. Also, in the model under study, in parallel with the EAF, a static reactive power compensator (SCRM) based on an active filter is added. A comparison was made of the quality indicators of electricity during the operation of the EAF directly from the source and with the addition of SCRM. Modeling has shown that SCRM makes it possible to reduce the total coefficient of harmonic components by more than 2.5%.
Key words: electric arc furnace, simulation, power quality, active filter.
Vyngra Aleksei Viktorovich, lecturer, [email protected], Russia, Kerch, Kerch State Marine Technological University,
Kucheryukova Margarita Vladimirovna, undergraduate, Russia, Kerch, Kerch State Marine Technological University,
Pelepachenko Daniil Vadimovich, cadet, Russia, Kerch, Kerch State Marine Technological University
