Компенсация неактивных составляющих полной мощности дуговых сталеплавильных печей

Размещено на http://allbest.ru

Компенсация неактивных составляющих полной мощности дуговых сталеплавильных печей Опубликовано в журнале «Электричество» № 11, 2009, с. 30-38

Чаплыгин Е.Е., Ковырзина О.С.

Постановка вопроса

В настоящее время доля стали, выплавляемой в дуговых сталеплавильных печах (ДСП) в объеме мировой выплавки стали превышает 30%. Увеличение выплавки сопровождается ростом вместимости печей и их мощности. В настоящее время мощность ДСП, рассчитанных на питающее напряжение 35 кВ, достигает 100 - 200 МВА.

Дуговые сталеплавильные печи как нагрузки негативно влияют на качество электрической энергии питающей сети. Характер потребления активной и реактивной электроэнергии печными агрегатами соответствует их резкопеременным, повторно кратковременным режимам работы.

Работа ДСП с нестабильным потреблением реактивной мощности сопровождается возникновением в электрической сети колебаний напряжения, а нелинейность и несимметрия фазных токов, потребляемых печью, приводит к искажению формы кривой тока, несимметрии напряжения. Значительная энергоёмкость сталеплавильного производства обуславливает повышенные требования к организации надёжных, рациональных режимов работы системы электроснабжения.

Одним из эффективных энергосберегающих мероприятий по повышению качества электроэнергии, снижению потерь электрической энергии, является установка средств компенсации неактивной мощности. В статье рассмотрены способы компенсации неактивных составляющих полной мощности ДСП. В работе использованы экспериментальные данные и результаты эксплуатации 50-тонной ДСП ООО «Новоросметалл» мощностью 40 МВА.

Влияние ДСП на питающую сеть

Дуговая печь представляет собой нелинейную трехфазную нагрузку, подключенную к сети переменного тока по трехпроводной схеме и являющуюся источником неактивных составляющих полной мощности. Во-первых, работа ДСП сопровождается неравномерным потреблением реактивной мощности.

Фазовый угол нагрузки варьируется в пределах от -10є до -50є, его математическое ожидание (среднее значение) приблизительно равно -30є.

Во-вторых, ДСП является источником мощности искажения.

В кривой тока печи наблюдаются как высокочастотные (100, 150, 200, 250, 300 Гц и т.д.), так и субгармонические 0ч50 Гц колебания (экспериментально полученный спектр тока одной из фаз печи представлен на рис. 1,а).

В-третьих, вследствие нелинейности и несимметрии фазных токов, потребляемых печью, отмечается несимметрия токов и напряжения в сети.

Составляющие спектра фазного тока печи, приведенного на рис. 1,а, имеют различную природу.

1. Кривые токов ДСП характеризуются низкочастотной модуляцией амплитуды и фазы основной гармоники по случайному закону. Спектры огибающих модулирующего воздействия на амплитуду активной и реактивной составляющих фазного тока основной гармоники, рассчитанные на временном интервале длительностью 10 с, представлены на рис. 1,б и 1,в соответственно.

Амплитуда активной составляющей фазного тока изменяется от 200 А (20% амплитуды номинального тока печи, равного 950 А) до 1200 А (130% амплитуды номинального тока печи).

Амплитуда реактивной составляющей фазного тока принимает значения от 100 А (10% амплитуды номинального тока печи) до 1200 А (130% амплитуды номинального тока печи).

Низкочастотная модуляция основной гармоники вызывает появление в спектре тока печи гармонических составляющих с разностными и суммарными частотами fс fм.

Рис. 1, а.	Рис. 1, б.
Рис. 1, в.	Рис. 1, г.

Рис. 1. Частотные спектры токов печи (а), огибающей модулирующего воздействия на амплитуду активной составляющей основной гармоники тока печи (б), огибающей модулирующего воздействия на амплитуду реактивной составляющей основной гармоники тока печи (в), постоянной составляющей тока печи (г).

2. Токи ДСП характеризуются наличием на периоде сети постоянной составляющей тока, которая модулируется от периода к периоду с низкой частотой по вероятностному закону.

3. Сумма постоянных составляющих всех фаз ДСП равна нулю. Спектр постоянной составляющей фазного тока, рассчитанный на временном интервале длительностью 10 с, представлен на рис. 1,г. Амплитуда постоянной составляющей достигает 20 % амплитуды номинального тока печи.

4. Модулированные по частоте и фазе высшие гармоники тока печи.

Исследования выявили слабую корреляцию между процессами модуляции гармоник и появления постоянной составляющей в фазах печи и отсутствие взаимодействия между перечисленными выше факторами, обуславливающими спектр токов ДСП.

Присутствие неактивных составляющих в сетевом токе ДСП вызывает ряд негативных последствий:

a) Потребление ДСП реактивной мощности снижает уровень питающего напряжения и производительность печи, увеличивая время плавки, что подтверждают экспериментальные данные; для потребления той же активной мощности при снижении коэффициента мощности необходимо увеличение токов, что приводит к увеличению затрат на проводниковые изделия, трансформаторы, коммутационные устройства;

b) Наличие субгармонических колебаний токов печи (как показывает расчет, в первую очередь их реактивных составляющих) обуславливает возникновение фликера, который нормируется ГОСТ 13109-97.

c) Присутствие медленно изменяющейся постоянной составляющей в кривых токов печи негативно влияет на работу сетевого трансформатора.

d) Несинусоидальность и несимметрия фазных токов, потребляемых печью, вызывает появление в питающей сети мощностей искажения и несимметрии и может привести к несимметрии напряжений.

В связи с изложенным вопросы компенсации неактивной мощности для ДСП имеют важное значение.

Специфика решения этих вопросов связана с большой мощностью установок, высоким питающим напряжением и резко стохастическим характером процессов в печи.

Способы компенсации неактивной мощности

Для компенсации неактивных составляющих полной мощности ДСП могут применяться различные сетевые компенсаторы (фильтры), подключаемые параллельно входу ДСП [1], рис. 2,а.

а)	б)
в)	г)

Рис. 2, Схемы компенсаторов неактивной мощности ДСП:

а) однолинейная схема подключения фильтров неактивной мощности к шинам напряжения, питающих ДСП,

б) схема ТРГ;

в) схема ВСФ;

г) схема активного фильтра с высокочастотной коммутацией.

Компенсаторы подразделяются на пассивные, состоящие исключительно из реактивных элементов, и активные, содержащие мощные полупроводниковые ключи (однооперационные тиристоры либо полностью управляемые ключи). Широко распространено применение гибридных фильтров, представляющих собой совокупность пассивных и активных компенсаторов. Перечислим известные варианты исполнения сетевых компенсаторов. дуговой сталеплавильный печь энергосберегающий

1. Пассивный фильтр (фильтрокомпенсирующие цепи ФКЦ), состоит из совокупности последовательных резонансных контуров, настроенных на частоты сети 2 f_с, 3 f_с, 4 f_с, 5 f_с, предназначены для подавления высших гармонических составляющих сетевого тока (рис. 2,а) [2]. На частоте сети пассивный фильтр имеет емкостное сопротивление и является компенсатором реактивной мощности сдвига по основной гармонике.

2. Тиристорно-реакторная группа (ТРГ) - рис. 2,б, активный фильтр, каждая фаза которого состоит из последовательно включенных реакторов и встречно-параллельных тиристорных ключей с сетевой коммутацией [2]. Для основной гармоники эта часть представляет собой управляемое индуктивное сопротивление, регулирование которого в каждом плече треугольника позволяет компенсировать реактивные составляющие основной гармоники тока печи, в том числе отклонения амплитуды реактивной составляющей от среднего значения с целью выравнивания колебаний реактивного тока. При этом значительно уменьшаются колебания напряжения сети (фликер). Генерируемые активным фильтром высшие гармоники тока в значительной мере подавляются пассивными компонентами гибридного сетевого фильтра.

3. Функции симметрирования активной мощности и компенсации постоянной составляющей тока ДСП могут быть возложены на активный сетевой фильтр ВСФ (рис. 2,в), выполненный на базе выпрямителя на однооперационных тиристорах, на стороне постоянного тока которого подключен индуктивный накопитель энергии [3]. Несимметричное фазовое управление ключами фильтра позволяет выравнивать потребление активной мощности по фазам и подавлять медленно изменяющуюся постоянную составляющую в фазовых токах ДСП, тем самым улучшая режимы работы сетевого трансформатора, что позволяет снизить затраты на трансформаторное оборудование и уменьшить потери.

4. Наиболее универсальными параллельными компенсаторами неактивной мощности являются активные фильтры на полностью управляемых вентилях с накопителем энергии (емкостного или индуктивного типа) на стороне постоянного тока, работающие с высокой частотой коммутации (ВЧАФ) (рис. 2, г), генерирующие в сеть ток, дополняющий ток ДСП до синусоидального, синфазного питающему напряжению [1, 2].

К достоинствам тиристорных компенсаторов с сетевой коммутацией можно отнести:

1) низкую стоимость и высокую надежность оборудования;

2) высокая степень проработанности схемных и технологических решений для высоковольтных установок большой мощности.

Недостатком тиристорных компенсаторов является ограниченный частотный диапазон, обуславливающий ограниченность их воздействия на значительную часть гармоник спектра ДСП.

В настоящее время наибольшее распространение получили гибридные сетевые фильтры - статические тиристорные компенсаторы (СТК), состоящие из ФКЦ и ТРГ [2]. Ниже рассматриваются возможности улучшения технико-экономических показателей компенсаторов при создании активных либо гибридных фильтров, состоящих из перечисленных выше устройств. Схема подключения фильтра к ДСП показана на рис. 2,а.

Анализ обобщенного реактивного компенсатора

Рассмотрим возможности компенсации реактивной мощности ДСП в наиболее общем виде. Обобщенный компенсатор представляет собой совокупность управляемых реактивных сопротивлений, соединенных по схеме треугольника и подключенных параллельно ДСП (рис. 3).

Рис. 3. Схема обобщенного компенсатора.

Токи ДСП в каждой фазе имеют активные и реактивные составляющие первой гармоники. Для осуществления полной компенсации необходимо обеспечить, чтобы в треугольнике реактивных сопротивлений протекали такие реактивные токи в фазах, чтобы они были равны и противоположны по знаку соответствующим реактивным токам печи. Требуемые значения реактивных сопротивлений компенсатора находим для произвольного режима, считая в этом режиме фазные активные и реактивные токи ДСП известными.

Система питается от источника трехфазной ЭДС, определяемой следующим образом:

, , , (1)

где вектор поворота

. (2)

Токи в плечах треугольника в соответствии со схемой рис. 3 определяются так:

, , . (3)

При этом фазные токи равны:

, , . (4)

Подставляя в выражения (4) формулы (3) и определяя векторы фазных напряжений по формулам (1) и (2), получаем выражения для фазных токов относительно реактивных сопротивлений:

;

;

Разложим полученные выражения для векторов фазного тока на активную (синфазную напряжению соответствующей фазы) и реактивную составляющие:

, (5)

(6)

(7)

где и - векторы токов фаз В и С, приведенные к вектору тока фазы А.

Реактивные фазные токи компенсатора , , должны быть равны реактивным фазным токам ДСП, взятым с обратным знаком:

, , ,

поэтому система уравнений для определения требуемых реактивных сопротивлений компенсатора с учетом (5)-(7) записывается следующим образом:

Решая систему уравнений относительно , , получаем выражения для величин реактивных сопротивлений, необходимых для компенсации реактивной мощности ДСП:

; (8)

; (9)

. (10)

При работе обобщенного реактивного компенсатора, реактивные сопротивления ветвей которого определяются выражениями (8) - (10), обеспечивается равенство нулю реактивной составляющей первой гармоники тока сети. При этом автоматически обеспечивается симметрия активных составляющих фазных токов сети. Данное явление объясняется тем, что несимметрия активной составляющей тока вызывает протекание реактивного тока в фазах нагрузки. Поскольку компенсатор обеспечивает равенство нулю реактивных фазных токов, то несимметрия активной составляющей тока также отсутствует.

Допустим, что на каждом периоде сети известны реактивные составляющие фазных токов ДСП. По имеющимся экспериментальным данным находим математическое ожидание этих токов и их максимальные отклонения и с помощью датчиков случайных чисел моделируем возможные режимы, возникающие при работе печи (при модельном эксперименте расчет проведен для 10000 режимов). По выражениям (8) - (10) находим ряд требуемых значений реактивных сопротивлений в ветвях обобщенного компенсатора и по полученным данным вычисляем диапазон изменения этих сопротивлений и их максимальные значения. Таким образом определяется требуемая мощность компенсатора. По другим фазам результаты статистически идентичны.

Проведенный анализ показал, что для исследуемой ДСП в одном плече треугольника компенсатора требуется в процессе функционирования изменять амплитуду реактивного тока от 900 А (емкостный ток) до 200 А (индуктивный ток).

Выбор пассивного компенсатора (ФКЦ)

При создании гибридных компенсаторов, состоящих из пассивного фильтра ФКЦ и активных тиристорных компенсаторов (ТРГ и/или ВСФ) пассивный фильтр является единственным источником емкостного реактивного тока в системе.

Реактивный ток ФКЦ в связи с этим должен выбираться не менее определенного выше максимального емкостного тока обобщенного компенсатора (900 А). В соответствии с этим сопротивление в ветви ФКЦ на частоте сети равно 55 Ом. Общая требуемая мощность ФКЦ составляет 67 МВАр.

Распределение мощности по отдельным звеньям ФКЦ выполняется из условия исключения возникновения резонанса в контуре, образованном в реактивными сопротивлениями сети и фильтра.

Далее будут исследованы факторы, для учета которых требуется увеличение емкости ФКЦ.

Анализ тиристорно-реакторной группы

Компенсатор ТРГ (см. рис. 2,б) является полифункциональным и может работать в двух режимах.

А) Режим генерации реактивного тока. Индуктивно-тиристорный компенсатор ТРГ является плавнорегулируемым потребителем реактивной мощности. Он компенсирует разницу между емкостной реактивной мощностью ФКЦ и индуктивной мощностью ДСП.

В соответствии с проведенным анализом обобщенного компенсатора для рассматриваемой ДСП требуется генерация основной гармоники реактивного тока с амплитудой I_осн.m от 0 до 1100 А (назовем этот ток основным), при этом максимальная мощность трехфазного компенсатора равна 82 МВАр, реактивное сопротивление в ветви ТРГ на частоте сети 45 Ом, при этом величина индуктивности равна 143 мГн.

При работе ТРГ максимальный ток будет при полностью открытых вентилях (угол задержки включения относительно момента перехода через нуль кривой линейного напряжения сети б=90є). В этом случае в ветви ТРГ протекает синусоидальный ток с амплитудой равной 1100 А.

В таблице 1 приведены максимальные средние и действующие анодные токи тиристоров в абсолютных величинах и процентах номинального фазового тока ДСП.

Табл. 1

№ п/п	Тип компенсатора, режим	I cр.макс	I действ.макс
1	ТРГ, режим генерации реактивного тока	356 А (37,4%)	557 А (58,6%)
2	ТРГ, режим компенсации постоянной составляющей	562 А (59%)	859 А (90,5%)
3	ВСФ	201 А (21%)	297 А (31%)

При увеличении угла ток в ветви ТРГ становится прерывистым. Амплитуда первой гармоники тока ТРГ связана с углом управления вентилем ТРГ соотношением:

, (11)

где - амплитуда первой гармоники тока ТРГ, соответствующая углу управления б=90є.

Во всех режимах работы ТРГ он может обеспечить компенсацию реактивной мощности печи, при этом осуществляется симметрирование активных токов в системе «ДСП - компенсирующие устройства».

При работе ТРГ неизбежна генерация высших гармоник в сеть, которые должны подавляться пассивными фильтрами ФКЦ.

Б) Режим компенсации постоянной составляющей. Одновременно с компенсацией реактивной составляющей ТРГ может компенсировать медленно изменяющуюся постоянную составляющую сети при работе в несимметричном режиме, когда за счет несимметрии углов задержки включения тиристоров амплитудное значение одной из полуволн тока в ветви ТРГ больше, чем на другой полуволне.

Результаты исследований токов рассматриваемой ДСП, приведенные выше, показывают, что постоянная составляющая в разных фазах ДСП в этом режиме должна варьироваться в диапазоне ±200 А.

Таким образом, ток ТРГ должен помимо основного тока содержать дополнительную постоянную составляющую

I_ТРГ = I_осн.m·sin(щ_сети t) + I_доп.

Поскольку отсутствует заметная корреляция между величиной реактивного тока печи и постоянной составляющей тока, то I_осн.m и I_доп могут принимать любые значения в указанных выше пределах. Выделим два критических режима.

Режим 1. Ток I_осн.m = 0, а I_доп максимален. В этом режиме компенсатор формирует ток только одной полярности, так что его среднее значение равно I_{доп.макс}. При этом, как показывает анализ, основная гармоника тока имеет амплитуду, равную 1,8* I_{доп.макс}, угол задержки включения формирующего ток тиристора б = 113^о.

Таким образом, ток ТРГ содержит в этом режиме дополнительную реактивную составляющую тока (назовем его балластным током I_балл), основная гармоника которого имеет амплитуду I_балл.m = 1,8*|I_{доп.макс}|, а суммарный ток компенсатора

I_ТРГ = I_осн.m·sin(щ_сети t) + I_доп+ I_{балл.макс}·sin(щ_сети t). (12)

В рассматриваемом варианте ДСП амплитуда балластного тока 360 А. Пассивный компенсатор ФКЦ должен обеспечить в системе «ДСП - компенсаторы» равенство реактивной мощности нулю. Балластный ток должен быть скомпенсирован емкостным током пассивного компенсатора, в результате амплитуда тока ФКЦ увеличивается на 40% - до значения 1260 А, соответственно на 40% увеличивается и мощность ФКЦ (94 МВАр).

Режим 2. Токи I_осн.m и I_доп максимальны. При этом, как показывает расчет, на полуволне, соответствующей большему по значению току, ток I_ТРГ должен формироваться при угле управления б=84,6^о, второй тиристор включается при б=100,4^о.

Максимальный ток через ветвь ТРГ равен

I_ТРГ.m = I_осн.m + 2,8 I_{доп.макс}. (13)

Для рассматриваемой ДСП I_ТРГ.m = 1660 А.

Реактивное сопротивление в ветви ТРГ на частоте сети равно 32 Ом, при этом значение индуктивности составляет 102 мГн. Таким образом, в режиме компенсации постоянной составляющей мощность ТРГ увеличивается на 51%.

В таблице 1 приведены максимальные средние и действующие анодные токи тиристоров в амперах и процентах номинального фазового тока ДСП.

Генерация высших гармоник тока при работе ТРГ в режиме компенсации постоянной составляющей токов усиливается.

В этом режиме зависимость углов управления тиристоров от основного и дополнительного токов имеет сложный нелинейный характер и не может быть представлена в компактной аналитической форме. Более того, при проведении экспериментов на модели была выявлена очень сильная зависимость генерируемых ТРГ токов от погрешностей при задании углов управления.

Это делает невозможным построение разомкнутых (программных) систем управления, т.е. требуется введение обратных связей. Создание системы управления с двумя контурами обратной связи (по основному и дополнительному токам) представляет собой чрезвычайно сложную проблему, особенно в условиях работы компенсатора совместно с такой нагрузкой как ДСП, процессы в которой имеют резкомпеременный стохастический характер.

Анализ компенсатора на базе выпрямителя с индуктивным накопителем (ВСФ)

(см. рис. 2,в) Активный сетевой фильтр ВСФ может быть рациональным дополнением фильтров, рассмотренных выше. Данный компенсатор способен выравнивать график потребления активной мощности нагрузкой во времени и симметрировать активные составляющие токов [3].

Применение ВСФ в системе электроснабжения ДСП позволяет решить задачу компенсации постоянной составляющей токов печи. В этом случае ТРГ компенсирует только реактивную составляющую токов.

Углы выпрямителя катодной группы для каждой фазы j и следующей фазы j+1 с учетом следующего условия, найденного при допущении о постоянстве тока индуктивного накопителя i_d = I_d определяются как

где , - углы выпрямителя анодной группы соответствующих фаз; нумерация тиристоров соответствует порядку их включения, анодной группе соответствуют нечетные номера, катодной - четные.

Критический (наихудший) режим работы выпрямительного компенсатора наблюдается, когда максимальная постоянная составляющая в фазовых токах печи достигает 200 А и присутствует только в двух фазах с разным знаком.

Для этого режима при малых пульсациях ток в накопителе I_d = 400 А. Отношение генерируемой ВСФ постоянной составляющей к среднему значению тока накопителя в критическом режиме минимально.

При выполнении эксперимента на спектральной модели ВСФ установлено, что при уменьшении индуктивности накопителя в токе накопителя появляются значительные пульсации, однако отношение генерируемой ВСФ постоянной составляющей к среднему значению тока накопителя заметно возрастает.

Но требований к ограничению пульсаций тока накопителя нет, поэтому их значение может быть уменьшено.

На рис. 4 приведены снятые на модели осциллограммы напряжений и токов ВСФ в критическом режиме при оптимальном значении индуктивности накопителя.

В приведенном режиме I_d = 330 А (35% номинального тока печи), сопротивление индуктивного накопителя на частоте сети составляет 110 Ом, индуктивность 350 мГн.

Углы управления тиристоров б₁ = 33^о, б₂ = 33^о, б₃ = 90^о, б₄ = 90^о, б₅ = 147^о, б₆ = 147^о. В табл. 1 приведены максимальные средние и действующие анодные токи тиристоров в амперах и процентах номинального фазового тока ДСП.



Рис. 4. Осциллограммы напряжений и токов ВСФ в критическом режиме:

а) - напряжение на индуктивном накопителе,

б) - ток индуктивного накопителя,

в) - фазовые токи ВСФ.

При работе выпрямительного компенсатора неизбежно потребление и генерация реактивной мощности в фазах. При этом максимальное потребление реактивной мощности будет в симметричном режиме, когда все углы управления равны 90є.

Расчет показывает, что в таком режиме амплитуды реактивных составляющих первой гармоники токов фаз соответствуют значениям I_1m = 365 А. Этот ток может рассматриваться как балластный фазовый ток.

Для компенсации этого тока ФКЦ должна генерировать дополнительный емкостной ток, равный I_1m/ = 211 А. В результате амплитуда тока ФКЦ увеличивается на 23% до значения 1111 А, соответственно на 23% увеличивается и мощность ФКЦ (83 МВАр). На основании этих результатов можно заключить, что при компенсации постоянной составляющей токов печи ВСФ имеется значительный выигрыш в затратах на пассивный фильтр по сравнению с вариантом, когда компенсация постоянной составляющей реализуется ТРГ. В соответствии с данными табл. 1 можно заключить, что максимальный суммарный ток тиристоров примерно одинаков при компенсации постоянной составляющей тока печи с помощью ТРГ либо на основе ВСФ. Таким образом, введение в компенсатор неактивной мощности ВСФ для компенсации постоянных токов печи не приводит к увеличению затрат на полупроводниковые приборы и позволяет минимизировать затраты на конденсаторы ФКЦ.

В схеме ВСФ присутствует индуктивный накопитель, реактор, работающий с подмагничиванием за счет протекания постоянного тока. Индуктивность реактора и постоянный ток через него в данной работе минимизированы.

Несомненным достоинством ВСФ является то, что управление осуществляется по одному параметру (постоянная составляющая тока), что значительно упрощает задачу синтеза системы автоматического управления по сравнению с вариантом, в котором на ТРГ возлагалась функция компенсации постоянной составляющей. Повышенная чувствительность величины формируемых токов к погрешностям в задании углов управления в ВСФ отсутствует.

Активные фильтры с высокой частотой коммутации (ВЧАФ)

Использование схем инверторов напряжения (или тока) в качестве активных сетевых фильтров предложено еще в 1975 г. Зиновьевым Г. С. [4]. С появлением мощных высокочастотных силовых ключей подобные схемы нашли широкое применение и достаточно детально исследованы. Высокочастотный активный фильтр, формирующий сетевые токи с помощью широтно-импульсной модуляции, позволяет сформировать токи, потребляемые системой «ДСП-ВЧАФ», практически симметричными, синусоидальными и синфазными напряжению сети. Для резко стохастической нагрузки, которой является ДСП, такой компенсатор является оптимальным для подавления неактивных составляющих полной мощности, поскольку обладает очень высокими динамическими свойствами.

В настоящее время ВЧАФ выполняются на относительно низковольтных ключах - IGBT-транзисторах, и их применение в высоковольтных установках связано с многочисленными проблемами и издержками. Возможно, эта проблема в ближайшие годы будет решена по мере совершенствования высоковольтных электронно-лучевых вентилей [5].

Однако стоимость ВЧАФ высока и их надежность значительно ниже надежности компенсаторов, выполненных на тиристорах с сетевой коммутацией. Поэтому нам представляется, что при создании компенсатора неактивной мощности для ДСП активный высокочастотный фильтр будет использоваться при совместной работе с описанными выше компенсаторами (см. рис. 2,а), лишь для подавления только тех неактивных составляющих тока печи, которые присутствуют в сетевом токе из-за резко стохастического характера процессов в печи и ограниченной динамики компенсаторов с сетевой коммутацией.

Выводы

1. Проведен анализ спектрального состава токов ДСП. Выявлено, что токи дуговой печи характеризуются низкочастотной модуляцией амплитуды и фазы основной гармоники по случайному закону.

Исследования показали, что на периоде сети в токах ДСП присутствует постоянная составляющая тока, которая модулируется от периода к периоду с низкой частотой по вероятностному закону.

Получены диапазоны изменения амплитуд активной и реактивной составляющих первой гармоники, а также постоянной составляющей.

2. Рассмотрены основные варианты исполнения схем сетевых компенсаторов неактивной мощности. Проведен анализ обобщенного компенсатора.

Аналитически получены зависимости реактивных сопротивлений компенсатора от токов нагрузки.

Показано, что при компенсации реактивной мощности нагрузки происходит симметрирование активных токов.

3. Путем статистического моделирования определены требуемые емкостные и индуктивные токи для компенсации реактивной мощности ДСП. Рассчитана требуемая мощность пассивного фильтра.

Проведен анализ тиристорно-реакторной группы (ТРГ) в режиме генерации реактивного тока. Определены мощность компенсатора и значения токов тиристора.

4. Проведено сопоставление схем ТРГ и компенсатора на базе выпрямителя с индуктивным накопителем в цепи постоянного тока (ВСФ) для подавления постоянной составляющей, генерируемой токами ДСП.

Показано, что максимальный суммарный ток тиристоров для обоих вариантов примерно одинаков.

Для компенсации постоянной составляющей токов ДСП необходимо увеличить мощность пассивного фильтра, причем при использовании ВСФ это увеличение значительно меньше, чем со схемой ТРГ.

5. Выявлены трудноразрешимые проблемы, возникающие при построении системы управления ТРГ при компенсации постоянной составляющей этим устройством.

Список литературы

1. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. / Изд. 3-е, испр. и доп. - Новосибирск: изд-во НГТУ, 2004.

2. Розанов Ю.К.. Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Силовая электроника: учебник для ВУЗов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007.

3. Лабунцов В. А., Чаплыгин Е. Е. Компенсаторы неактивной мощности на вентилях с естественной коммутацией. Электричество, № 9, 1996.

4. Зиновьев Г. С. Вентильные компенсаторы реактивной мощности, мощности искажения и мощности несимметрии на базе инвертора напряжения. В сб.: Современные задачи преобразовательной техники. Ч. 2. - Киев: ИЗД АН УССР, 1975.

5. Переводчиков В.И., Шапенко В.Н., Мартынов В.Ф., Стальков П.М., Шапиро А.Л. Новый класс мощных электронных приборов - электронно-лучевые вентили. Прикладная физика, 2000, № 2

Аннотация

Рассмотрены компенсаторы неактивных составляющих полной мощности для сетей с дуговыми сталеплавильными печами. Разработан способ определения мощности гибридных компенсаторов, состоящих из пассивного фильтра и активных компенсаторов на тиристорах с сетевой коммутацией. Дано сравнение двух компенсаторов для подавления медленно изменяющейся постоянной составляющей тока печи, один из которых выполнен на базе тиристорно-реакторной группы, второй - трехфазный мостовой с индуктивным накопителем, определены мощности и токи тиристоров в каждой из этих схем.

Ключевые слова: дуговая сталеплавильная печь, полная мощность, неактивная мощность, устройства компенсации

Авторы: Чаплыгин Евгений Евгеньевич окончил радиотехнический факультет Московского энергетического института (МЭИ) в 1965 г. В 1974 г. защитил кандидатскую диссертацию «Исследование непосредственных преобразователей частоты с замкнутым контуром управления». Доцент кафедры Промышленной электроники МЭИ (ТУ).

Ковырзина Олеся Сергеевна окончила Институт радиоэлектроники МЭИ (ТУ) в 2007 г. Аспирантка кафедры Промышленной электроники МЭИ (ТУ), инженер ОСУ АО «Ансальдо-ВЭИ».

Annotation

The paper considers inactive components apparent power compensators for networks with arc furnaces. The calculation power method for hybrid compensators which are composed of a passive filter and active compensators on network commutation thyristors are presented.

A thyristor-reactor group and «three-phase bridge circuit» with inductive accumulative element are compared for suppression of slowly varying direct load current level. Power and currents of thyristors in both schemes are calculated.

Размещено на Allbest.ru