Підвищення енергоефективності систем електропостачання промислових споживачів постійного струму на

Скопіюйте отформатированную бібліографічне посилання через буфер обміну або перейдіть по одній з посилань для імпорту в Менеджер бібліографій.

імпортувати

1 Аспірант, Харківський гірничий університет, 2 Кандидат технічних наук, Харківський енергетичний інститут підвищення кваліфікації міністерства енергетики Укаїни

ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ СИСТЕМ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ПРОМИСЛОВИХ СПОЖИВАЧІВ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ НА ОСНОВІ АКТИВНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

Наведено науково-технічні проблеми підвищення енергоефективності систем електропостачання промислових споживачів постійного струму великої потужності. З використанням комп'ютерної моделі підтверджена ефективність роботи активних перетворювачів в умовах електротехнологічних установок постійного струму. Показано, що при дотриманні норм параметрів якості електроенергії в межах діючих стандартів коефіцієнт потужності електротехнічного комплексу з активним випрямлячем напруги може досягати 0,98-0,99. За результатами експерименту на фізичному об'єкті потужністю 0,5 МВт встановлено, що реальний коефіцієнт потужності становить 0,97-0,98 на всьому діапазоні регулювання струму навантаження.

Ключові слова: електролізер, дугова піч постійного струму, активний перетворювач, коефіцієнт потужності.

Veprikov A.A. 1. Polishchuk V.V. 2

1 Postgdauate Student, St. Petersburg Mining University, 2 PhD in Engineering, St. Petersburg Power Engineering Institute of Continuing Education Ministry of Energy of the Russian Federation

INCREASE OF ENERGY EFFICIENCY OF SYSTEMS OF POWER SUPPLY OF INDUSTRIAL CONSUMERS OF DC ON THE BASIS OF ACTIVE CONVERTERS

The article discusses scientific and technical problems of increasing the energy efficiency of power supply systems for industrial consumers of high-power direct current. The use of a computer model increases the efficiency of active converters under the conditions of electro-technological installations of direct current. It is shown that if the norms of the electric power quality parameters are observed within the limits of the current standards, the power factor of the electrical complex with the active rectifier can reach 0,98-0,99. Based on the results of the experiment, a 0.5 MW physical facility established that the real power factor is 0.97-0.98 over the whole range of load current control.

Keywords: electrolysers, DC arc furnace, active converter, power factor.

В даний час в промисловості широко використовується електроенергія постійного струму, при цьому велика її частина (до 60%) припадає на кольорову металургію. Потужність споживачів постійного струму різниться в залежності від їх виду, режиму роботи, питомої витрати електроенергії і продуктивності, найбільш енергоємними є:

- електролізних установки отримання кольорових металів з розплавів (алюміній, магній) і розчинів (цинк, мідь, нікель, натрій та ін) [1], [2];

- електродугові печі постійного струму (сталеплавильні, рудотермічні, вакуумні) [3];

- промислові перетворювачі для живлення постійним струмом приводів постійного струму і інверторів частотно-регульованого приводу (екскаватори, прокатні стани, бурові верстати, транспорт і т.п.).

Для забезпечення оптимального протікання технологічних процесів у вищенаведених установках потрібно регулювати параметри випрямленої струму і напруги в діапазоні 0,2-1,15 від номінальної величини з точністю 0,1-0,2% протягом декількох секунд. Використання керованих випрямних агрегатів на основі параметричних джерел, дроселів і силових тиристорів призводить до збільшення споживання реактивної потужності. Велику частину часу перетворюючі агрегати установок електролізу працюють на зниженій напрузі з ненульовим кутом управління, через що їх коефіцієнт потужності становить 0,7-0,91 [4], [5]. Джерела живлення дугових печей постійного струму мають номінальний коефіцієнт потужності в межах 0,85-0,94, але при глибокому регулюванні струму він знижується до 0,6 [3].

В [6] наводяться результати досліджень диференційованого в часі електропостачання (модуляції струму) серій електролізерів, що проводилися на українських і зарубіжних алюмінієвих заводах з метою зниження плати за заявлений максимум навантажень. Результати роботи серії при модуляції струму на 10% показали можливість її експлуатації практично без зниження техніко-економічних показників, при цьому споживання енергії в години «пік» знижувалося не менше ніж на 16-17%. Таким чином, для алюмінієвих заводів, які мають проблеми з нестачею електроенергії, або до них застосовуються підвищені тарифи в пікові періоди в енергосистемах, застосування модуляції струму є реабілітує себе рішенням і не позначається негативно на технологічних операціях.

Напівпровідникові випрямлячі призводять до виникнення вищих гармонік в мережевій напрузі і споживаної струмі, що може призводити до порушення електромагнітної сумісності системи електропостачання підприємства з мережею живлення, порушень в роботі автоматики, релейного захисту і, в деяких випадках, самих вентильних перетворювачів [7], [8 ]. Відбувається прискорене старіння ізоляції електричних машин, апаратів і кабелів, що пов'язане зі зниженням надійності електрообладнання. Використання систем управління випрямленою напругою посилює ці недоліки, в той же час можливість застосування компенсуючих пристроїв на основі конденсаторних батарей в таких умовах обмежено через можливість їх перевантаження струмами вищих гармонік і виникнення резонансних явищ [4], [8].

У зв'язку з цим потрібно вирішити ряд завдань, пов'язаних з підвищенням енергоефективності систем електропостачання потужних промислових споживачів постійного струму шляхом введення до їх складу активних перетворювачів (АП) на основі IGBT транзисторів, що дозволяють знизити споживану з мережі повну потужність, встановлену потужність електрообладнання та забезпечити підтримку параметрів якості електроенергії (ПКЕ) в регламентованих межах.

Фірмою Semikron реалізовані полумостового IGBT модулі за технологією SKiiP 4 потужністю до 2,1 МВт, при напрузі 1,2 кВ та постійному струмі до 3,6 кА, в яких допускається паралельне з'єднання декількох модулів (до 6-8 шт), подальше збільшення числа паралельних елементів не рекомендується через виникнення суттєвої несиметрії керуючих каналів і можливості рассинхронизации часу комутацій ключів [9].

Для збільшення струму навантаження пропонується використовувати паралельне з'єднання перетворювальних секцій, кожна з яких отримує харчування від перетворювального трансформатора (ПТ) [10], [11]. Структура системи електропостачання з активними випрямлячами (АВ) представлена ​​на рис. 1.

Мал. 1 - Схема системи електропостачання потужного споживача постійного струму із застосуванням активних випрямлячів

Необхідний діапазон регулювання випрямленої напруги навантаження досягається шляхом використання РПН в групових силових трансформаторах (Т). Використання АВ з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) для корекції коефіцієнта потужності перетворювача (χ) дозволить вирішити завдання зниження споживаної потужності і підтримки ПКЕ на живильному приєднання в межах діючих стандартів при забезпеченні необхідних вимог електроживлення промислових споживачів постійного струму.

Для перевірки в середовищі MATLAB Simulink була побудована модель активного випрямляча напруги (АВН) з наступними параметрами: частота напруги fs = 50 Гц, Uл = 380 В, внутрішній опір живильної фази rф = 0,08 Ом; індуктивність і активний опір фази струмообмежувального мережевого реактора Lр = 0,08 мГн, r = 0,6 мОм; активний опір і індуктивність навантаження Rd = 0,4 Ом, Ld = 0,12 мГн, протидії ЕРС навантаження Eп = 310 В; ємність конденсатора СФ = 32 мФ; напруга стабілізації Uc = 850 В. При створенні моделі були прийняті наступні допущення:

- система живлячих напруг і перетворювач симетричні;

- живлять напруги мають синусоїдальну форму (в реальній мережі можливі відхилення амплітуди, частоти і форми напруги живлення в межах діючих стандартів ПКЕ через зміну параметрів енергомережі і присутності сторонніх споживачів);

- силові ключі ідеальні, їх внутрішній опір не залежить від температури;

- відношення частоти комутації до частоті основної гармоніки напруги живлення задовольняє співвідношенню NS = fS / f (1) >> 10;

- перетворювач вносить тільки високочастотні спотворення, т. Е. Гармоніки з частотами, що значно перевищують частоту першої гармоніки.

Напруга на навантаженні змінювалося в межах (0,5-1) Uном. Створена модель і результати, отримані при моделюванні, наведені на рис. 2.

Мал. 2 - а - модель активного випрямляча для живлення промислової навантаження постійного струму, форми кривих напруг і струмів мережі живлення для б - U = Uномв - U = 0,5Uном

В результаті моделювання встановлено, що система електропостачання з використанням АВН з ШІМ дозволить синхронізувати фази мережевого струму і напруги і підвищити χ до 0,98-0,99 при підтримці параметрів якості електроенергії в регламентованих межах.

Для експериментальної перевірки ефективності використання АП були проведені дослідження системи електропостачання дугової вакуумної печі 833Д з номінальною потужністю 0,5 МВт, сумарна кількість паралельно з'єднаних перетворювачів з IGBT склало 90 шт, що відповідало діапазону випрямленого струму від 450 А до 13,5 кА з можливістю плавного регулювання. Максимальна величина постійного струму одного блоку склала 200 А при напрузі в 45 В, в номінальному режимі робочий струм дорівнює 150 А. Споживаний з мережі фазний струм досягав 840 А при струмі навантаження 12-13 кА. Коефіцієнт сумарних гармонійних спотворень напруги на всьому діапазоні регулювання не перевищував 5,7%, а коефіцієнт потужності досліджуваного електротехнічного комплексу знаходився 0,97-0,98. При номінальному струмі дуги 12 кА коефіцієнт корисної дії електротехнічного комплексу склав 0,77.

Експериментальні дослідження підтвердили можливість ефективної паралельної роботи як окремих модулів, так і їх секцій, причому число паралельних секцій може нарощуватися практично без обмежень, що забезпечить ефективне електропостачання промислових споживачів постійного струму великої потужності.

Список літератури / References