Разработка и исследование пускорегулирующих устройств высоковольтного электропривода вентиляторной станции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Вечеркин, Максим Викторович

• Вечеркин, Максим Викторович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Вечеркин, Максим Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА МОДЕРНИЗАЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

1.1. Общая оценка состояния электроприводов вентиляторных установок и требований к ним в промышленности.

1.2. Методология принятия решений в задачах модернизации вентиляторных механизмов.

1.3. Элементная база современных средств модернизации вентиляторных электроприводов.

1.4. Обзор существующих преобразователей частоты на тиристорах.

1.5. Обзор существующих высоковольтных пусковых устройств.

1.6. Варианты модернизации электроприводов вентиляторной станции ЛПЦ-10.

Выводы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СРАВНИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА СПОСОБОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВЕНТИЛЯТОРНОЙ СТАНЦИИ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО СПОСОБА РЕГУЛИРОВАНИЯ

2.1. Моделирование аэродинамических характеристик вентилятора.

2.2. Моделирование вентиляционной сети.

2.3. Методика анализа энергетической эффективности способов регулирования производительности вентиляторной станции.

2.4. Выбор оптимального способа регулирования производительности.

Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СИЛОВОЙ СХЕМЫ ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНОГО ПУСКОВОГО УСТРОЙСТВА И ЕГО МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ.

3.1. Трансформаторно-тиристорное и трансформаторное пусковое устройство.

3.2. Экспериментальное исследование пускового устройства.

3.3. Варианты силовых схем трансформаторно-тиристорных пусковых устройств.

3.4. Оценка стоимости трансформаторно-тиристорного пускового устройства и суммарных затрат на модернизацию.

3.5 Основные уравнения состояния асинхронного двигателя.

3.6 Математическое описание работы трансформатора.

Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ «ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНЫЙ ПУСКАТЕЛЬ -АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ» И АНАЛИЗ ПУСКОВЫХ РЕЖИМОВ.

4.1. Выбор способа реализации модели.

4.2. Моделирование прямого пуска АД.

4.3. Модель трансформаторно-тиристорного пускового устройства.

4.4. Исследование пуска двигателя без нагрузки на валу при фиксированном угле управления.

4.5. Исследования пусковых характеристик при вентиляторной нагрузке на валу двигателя.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование пускорегулирующих устройств высоковольтного электропривода вентиляторной станции»

Известно, что турбомеханизмы потребляют до 25% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. При этом в большинстве случаев электроприводы турбомеханизмов являются нерегулируемыми, что не позволяет снижать электропотребление при снятии технологических нагрузок. Регулирование их производительности с помощью запорной арматуры на стороне потребителя (дросселирование) является энергетически неэффективным [1].

Это заставляет искать пути, позволяющие снизить потери, связанные с несовершенными способами регулирования производительности турбомеханизмов. Данная проблема особенно остро стоит для групп турбомеханизмов работающих параллельно на общую разветвленную сеть - насосных, вентиляторных и компрессорных станций. Сложность аэро- и гидродинамических процессов происходящих при этом в сети не позволяет получить универсального решения данной проблемы. Решать вопрос об оптимальном способе регулирования производительности приходится индивидуально в каждом конкретном случае с учетом типа турбомеханизма и условий его работы.

Приближенные расчеты, проведенные для вентиляторной станции ЛПЦ-10 ОАО «ММК» показали, что потери электроэнергии вследствие отсутствия эффективной системы регулирования производительности доходят до 20.25% от общего потребления электроэнергии вентиляторами.

Снижение этих потерь возможно при регулировании суммарной производительности вентиляторной станции по потребностям производства. В настоящее время такое регулирование осуществляется вручную, не чаще одного раза в смену, с помощью осевого направляющего аппарата вентиляторов. Очевидно, что энергосберегающий эффект подобного регулирования чрезвычайно низок.

В связи с этим, актуальной является задача выбора энергетически эффективного способа регулирования производительности вентиляторной станции, при котором будут минимизированы неоправданные потери электроэнергии.

Такой выбор может быть осуществлен только при сравнении всех имеющихся способов регулирования. Имеющиеся методики ориентированы в основном на анализ сетей с неизменными параметрами и не могут быть применены к сложным объектам с несколькими потребителями, для которых расход воздуха различен.

Целью работы является улучшение технико-экономических показателей работы электроприводов вентиляторной станции за счет реализации энергетически эффективного способа регулирования ее суммарной производительности и разработка средств технической реализации такого способа, позволяющих минимизировать капитальные затраты на его внедрение.

Для достижения поставленных целей в работе решаются следующие основные задачи:

1. Анализ вариантов модернизации высоковольтных асинхронных электроприводов вентиляторов и средств их технической реализации.

2. Оценка эффективности различных способов регулирования производительности вентиляторной станции.

3. Выбор способа регулирования позволяющего получить максимальный эффект энергосбережения при минимуме капитальных затрат.

4. Разработка новой силовой схемы трансформаторно-тиристорного пускового устройства для реализации «старт-стопного» регулирования производительности вентиляторной станции и ограничения пускового тока и ударного момента электродвигателей.

5. Создание компьютерной модели системы «трансформаторно-тиристорное пусковое устройство - асинхронный двигатель».

6. Исследование компьютерной модели для выявления характеристик и возможностей пускового устройства.

Содержание работы изложено в четырех главах.

В первой главе проведен анализ путей модернизации электроприводов вентиляторных станций. Показана необходимость проведения дополнительных исследований для выбора рационального пути модернизации.

Вторая глава посвящена разработке методики анализа энергетической эффективности способов регулирования производительности вентиляторной станции. До настоящего времени анализ работы группы вентиляторов производится в основном графическим методом. Метод требует значительных временных затрат, практически не поддается автоматизации и трудно реализуем при большом числе вентиляторов. Разработанная методика позволяет оперативно решать широкий спектр задач, связанных с работой вентиляторов в сложных сетях.

В третьей главе предложена новая силовая схема пускового устройства на основе трансформатора. Стоимость такого устройства в несколько раз ниже классических пусковых устройств построенных на базе высоковольтных тири-сторных регуляторов напряжения.

В четвертой главе описана компьютерная модель пускового устройства и приведены результаты моделирования его работы при пуске асинхронного двигателя с вентиляторной нагрузкой. Предложены алгоритмы пуска АД с учетом особенностей пускового устройства и характера нагрузки.

В работе проведена приближенная оценка ожидаемой экономии электроэнергии от внедрения рациональных способов регулирования производительности. Рассчитаны сроки окупаемости для различных вариантов модернизации.

По содержанию диссертационной работы опубликовано девять научных трудов, полученные результаты докладывались на трех международных научно-технических конференциях.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Вечеркин, Максим Викторович

Выводы

1. На основе известного математического аппарата в расширении Simulink пакета MatLab из стандартных библиотечных блоков построена компьютерная модель системы «трансформаторно-тиристорное пусковое устройство - высоковольтный асинхронный двигатель» корректно отражающая работу двигателя на холостом ходу и в режиме вентиляторной нагрузки на валу.

2. Выбран тип промышленно выпускаемого трансформатора, характеристики которого позволяют использовать для создания высоковольтного пускового устройства.

3. Определена зависимость кратности пускового тока АД от угла управления ТПН пускового устройства. Показано, что предложенное пусковое устройство позволяет добиться снижения амплитуды ударного момента до значений, не превышающих 1,2Мп.

4. Предложен параметрический закон изменения угла управления тиристорным преобразователем напряжения, обеспечивающий ограничение кратности пускового тока высоковольтного электродвигателя на уровне не более 4/„, амплитуды переходного электромагнитного момента на уровне 1,5Мн, и позволяющий минимизировать время пуска.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. С учетом современного технического состояния вентиляторной станции проведен анализ вариантов модернизации высоковольтных асинхронных электроприводов и сопоставление стоимостных показателей технических средств реализации возможных способов регулирования. В результате показана необходимость исследования производственных процессов в системе «вентиляторная станция - сеть воздуховодов».

2. На основе аппроксимации паспортных аэродинамических характеристик вентиляторов с применением специальных программных методов обработки данных разработана математическая модель вентиляторной станции, позволяющая исследовать технологический процесс подачи воздуха в методические нагревательные печи ЛПЦ-10 ОАО «ММК».

3. Разработана методика сравнительного анализа энергетической эффективности способов регулирования производительности вентиляторной станции с использованием аппроксимированных характеристик и электрической схемы замещения, на основе которой обоснована рациональность сочетания «старт-стопного» регулирования и регулирования угла поворота осевого направляющего аппарата вентиляторов.

4. Разработана силовая схема трансформаторно-тиристорного высоковольтного устройства «мягкого» пуска и математическая модель электропривода, реализующая пусковые режимы в системе «пусковое устройство-АД».

5. По результатам теоретических исследований, полученных на математической модели, определены основные характеристики пускового режима электропривода с трансформаторно-тиристорным пускателем. Получены зависимости кратности пускового тока и времени пуска асинхронного электродвигателя в функции угла управления преобразователем, подключенным к вторичной обмотке трансформатора.

6. Определен параметрический закон изменения угла управления тири-сторным преобразователем напряжения, обеспечивающий ограничение кратности пускового тока высоковольтного электродвигателя на уровне не более 4/„, амплитуды переходного электромагнитного момента на уровне 1,25Мн, и позволяющий минимизировать время пуска.

103

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Вечеркин, Максим Викторович, 2006 год

1. Онищенко Г.Б., Ючьков М.Г. Электропривод турбомеханизмов. М., «Энергия», 1972.

2. Лазарев Г.Б. Обеспечение электромагнитной совместимости при применении частотно-регулируемых асинхронных электроприводов в системах электроснабжения собственных нужд ТЭС // Вестник ВНИИЭ, 2000. 55-69 с.

3. Энергосбережение на металлургическом предприятии / Региональный учебно-методический центр «Персонал». Магнитогорск, 2002.

4. Сарваров А.С. Энергосберегающий электропривод на основе НПЧ-АД с программным формированием напряжения. Магнитогорск: МГТУ, 2001. -206 с.

5. Энергосбережение на металлургическом предприятии / Региональный учебно-методический центр «Персонал». Магнитогорск, 2002.

6. Думаневич А.Н., Якивчик II. Ч. Силовое полупроводниковое приборостроение в начале XXI века // Электротехника. 2001. №9. 9-12 с.

7. Таратута И.П., Чуприков B.C. Схематические и конструктивные решения преобразователей частоты для регулируемого электропривода // Электротехника. 2001. №9. 62-65 с.

8. Высоковольтный энергосберегающий преобразователь частоты ХИТАЧИ с бестрансформаторным выходом HIVECTOR-HV1 / All Rights Reserved, Copyright 2000, Hitachi, Ltd.

9. Вечеркин M.B., Сарваров А.С. Проблемы модернизации электроприводов ЦВС ЛПЦ-10 ОАО «ММК». Электротехнический системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 10. / Под ред. С.И. Лукьянова Магнитогорск: МГТУ, 2005.- 180 с.

10. Браславский И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / И.Я. Браславский, З.Ш. Ишма-тов, В.Н. Поляков; Под ред. И.Я. Браславского. М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 256 с.

11. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: Учебник для вузов. М.: Энергия, 1980.

12. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. Учебник для теплоэнергетических специальностей вузов. М., «Энергия», 1977.-424 с. с ил.

13. Ануфриев И.Е., Смирнов А.Б., Смирнова Е.Н. MATLAB 7. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 1104 е.: ил.

14. Новгородцев А.Б. Расчет электрических цепей в MATLAB: Учебный курс. СПб.: Питер, 2004. - 250 е.: ил.

15. Вахвахов Г.Г. Энергосбережение и надежность вентиляторных установок. М.: Стройиздат, 1989. - 176 е.: ил.

16. Б. Экк Проектирование и эксплуатация центробежных и осевых вентиляторов. Пер. с нем. И.О. Керстена. Москва, Госгортехиздат, 1959.

17. Калинушкин М.П. Насосы и вентиляторы: Учеб. пособие для вузов, 6-е изд., перер. и доп. М.: Высш. шк., 1987. - 176 е.: ил.

18. Абрамов Ф.А., Фролов Н.А. Электрическое моделирование вентиляционных сетей угольных шахт. Москва, Углетехиздат, 1957.

19. Абрамов Ф.А., Байков В.А., Фролов И.А. Электрическое моделирование вентиляционных сетей шахт. М.: Госгортехиздат, 1961.

20. Абрамов Ф.А., и др. Расчет вентиляционных сетей шахт и рудников. М.: Недра, 1978.

21. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. -672 е.: ил.

22. Внутренние санитарно-технические устройства. В 2-х ч. Под ред. И.Г.Староверова. Изд. 2-е, перераб. и доп. Ч. 2. Вентиляция и кондиционирование воздуха. М., Стройиздат, 1977. 502 с. (Справочник проектировщика).

23. Поиск электромеханических моделей турбомеханизмов. С.П. Лохов, А.А. Бузов, А.С. Лохов. Вестник ЮУрГУ, №4, 2001.

24. Энергосберегающая технология электроснабжения народного хозяйства: В 5 кн.: Практ. пособие/ Под ред. В.А. Веникова. Кн. 2. Энергосбережение в электроприводе/ Н.Ф. Ильинский, Ю.В. Рожановский, А.О. Горнов. М.: Высш. шк., 1989.- 127 с.: ил.

25. Кривандин В.А., Егоров А.В. Тепловая работа и конструкции печей черной металлургии: Учебник для вузов М.: Металлургия, 1989.- 462 с.

26. Вечеркин М.В., Сарваров А.С. Исследование способов регулирования производительности вентиляторной станции ЛПЦ-10 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2006, №4.

27. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. для вузов. 3-е изд., перер. и доп. - М.: Высш. шк., 2001. - 327 с.

28. Ковач К.П., Рац К Переходные процессы в машинах переменного тока /Пер. с нем. М. Л.: Госэнергоиздат, 1963. 735 е.: ил.

29. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. СПб.: КОРОНА-принт, 2001. -320 е., ил.

30. Лейтес Л.В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов.-М.: Энергия, 1981.

31. Копылов И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов. 3-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2002. - 607 с.

32. Бессонов Л.А. Нелинейные электрические цепи. Изд. 3-е, перер. и доп. Учеб. пособие для втузов. М., «Высш. школа», 1977.

33. Татур Т.А., Татур В.Е. Установившиеся и переходные процессы в электрических цепях: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 2001.

34. Лейтес JI.B., Пинцов A.M. Схемы замещения многообмоточных трансформаторов. М. «Энергия», 1974.

35. Черных И.В. SIMULINK: среда создания инженерных приложений/ Под общ. ред. В.Г. Потемкина. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. - 496 с.

36. Дьяконов В.П. MATLAB6.5 SP1/7 + SimuIink5/6. Основы применения. М.: СОЛОН-Пресс, 2005.

37. Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. - 528 е.: ил.

38. Герман-Галкин С.Г., Карбонов Г.А. Электрические машины: Лабораторные работы на ПК. СПб.: КОРОНА-принт, 2003. - 256 е., ил.

39. Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника: Лабораторные работы на ПК. СПб.: КОРОНА-принт, 2002. - 304 е., ил.

40. Мощинский Ю.А., Беспалов В.Я., Кирякин А.А. Определение параметров схемы замещение асинхронной машины по каталожным данным // Электричество, 1998, №4.

41. Писарев А.Л., Деткин Л.П. Управление тиристорными преобразователями (системы импульсно-фазового управления). М., «Энергия», 1975.

42. Юночев В. И. Теория электропривода: Учебник для вузов. М.: Энер-гоатомиздат, 1985. - 560 е., ил.