ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

В даний час основним обладнанням в металургійній промисловості для виробництва високоякісної сталі є дугові сталеплавильні печі (ДСП). Ці пристрої є джерелами електромагнітних перешкод: вищих гармонік, коливань і несиметрії напруг. Розрахунок і аналіз несиметричних режимів роботи дугової печі необхідні для вирішення багатьох практичних завдань: аналіз роботи автоматичних регуляторів потужності, вибору найкращого параметра регулювання і розробки нових регуляторів, вибору найкращої конструкції короткої мережі та розробки заходів для підтримки рівних потужностей всіх фаз печі; налаштування параметрів релейного захисту і автоматичних регуляторів печі та ін Для об'єктивної оцінки несиметрії напруг в діючих електричних мережах використовують або спеціалізовані вимірювальні прилади, або оцифровані криві миттєвих значень фазних напруг ДСП, отримані за допомогою реєстратора РЕКОН. Однак РЕКОН не дозволяє отримати час запису графіка напруги, достатня для оцінки показника несиметрії згідно ГОСТ 13109-97.
Ціль роботи: аналіз можливого використання екстраполяції результатів на більш довгий проміжок часу шляхом імітаційного моделювання фазних напруг ДСП.
Идея работы: вихідними даними для виконання роботи є функція розподілу (ФР) − універсальна характеристика, яка повно характеризує випадкову величину, а також кореляційна функція (КФ), яка характеризує тісноту лінійних зв'язків (кореляція) між ординатами процесу, розділеним інтервалом часу τ. Використовуючи ці функції, можна виконати імітацію процесу за допомогою програми StaSim.
Основні завдання розробок і досліджень: по заданих кривим напруги і струму:
− оцінити ЕМС по несиметрії і несинусоїдальності;
− оцінити похибку роботи програми StaSim.
Методи досліджень: у роботі застосовуються методи теорії ймовірності та статистичної динаміки електричних систем.
Практичне застосування: прогнозування несиметрії і несинусоїдальності напруги на основі імітаційної моделі для вирішення практичних задач проектування та експлуатації.
Огляд досліджень і розробок за темою. Питаннями ЕМС в ДонНТУ займаються д.т.н. Курінний Е. Г., к.т.н. Дмитрієва О. М., к.т.н. Погребняк Н. Н., к.т.н. Коломитцев А.Д.
Внесок у питання визначення та нормування якості електроенергії внесли такі вчені: Г.Я. Вагін, С.Р.Глітернік, А.А. Єрмілов, І.В. Жежеленко, Ю.С. Железко, Е.Г. Курінний, Р.В. Мінєєв, М.Я. Смілянський, Д. Аррілага та ін.

 

1. Дугові сталеплавильні печі

Дугова сталеплавильна піч (рис. 1) − це споживач другої категорії надійності електропостачання, який характеризується високою одиничною потужністю 0,4-80 МВА, мають коефіцієнт потужності від 0,85-0,89 (ДСП-5) до 0,7 (ДСП -200), цілодобовий різко змінний циклічний режим роботи.

Схема ДСП

Рисунок 1 – Схема ДСП

При роботі ДСП створює непостійну по фазах навантаження в живильної мережі, генеруючи при цьому широкий спектр вищих гармонік. Кидки струму електропічні навантаження викликають в живильній мережі субгармонійних коливання напруги, а несинусоїдальность струму, напруга пічної дуги і несиметрія токоподвода викликають спотворення форми живлячої напруги − високі гармонійні коливання [13].

Робоча дуга ДСП є вагомим нелінійним елементом, який має такі особливості: а) напруга на дузі постійна при постійній її довжині б) крива напруги на дузі несинусоїдальна, що призводить до спотворення форми кривої струму і появі в ланцюгах з дугою вищих гармонійних складових струму і напруги [14]. Вищі гармонійні складові струму дуги передаються через магнітну зв'язок обмоток пічного трансформатора на його первинну обмотку і далі в мережу. Несинусоїдальний струм викликає на реактивних опорах пічного контуру різне падіння напруги для кожної гармоніки, що призводить до нелінійних спотворень живильної напруги. Гармонійний склад напруги та струму в значній мірі залежить від режиму горіння пічної дуги. На режим горіння впливають багато факторів [15]: зміна іонізації дугового проміжку при плавленні і випаровуванні шихти, коливання температури і хімічного складу металу і шлаку, переміщення шихти, перекиди дуги, рух дуги під дією електромагнітних сил, коливання електродів, несиметричне навантаження окремих фаз печі. Ці чинники обумовлюють випадковий характер електричних процесів в печі і впливають на вольт-амперну характеристику дуги, яка визначає гармонійний склад струму.

Розплавлення шихти супроводжується різкими і частими змінами навантаження в діапазоні від обриву дуги до короткого замикання між електродом і шихтою. Несиметричний режим роботи печі, а також несиметрія струмовідводу впливають на гармонійний склад струму і живильної напруги − третя і кратні трьом гармоніки виникають у всіх трьох фазах.

Крім дуги електропічний контур ДСП має інший нелінійний елемент − трансформаторний агрегат, що складається для малопотужних печей з пічного трансформатора і струмообмежувального реактора, а для потужних − з регулюючого автотрансформатора та пічного трансформатора. У номінальному режимі роботи сталь сердечника трансформатора, дроселя і автотрансформатора не насичений (струм намагнічування становить 0,5-3% від номінального струму). У режимі експлуатаційних КЗ при включення і виключення трансформаторних агрегатів наявність сталевих сердечників сильно впливає на криву струму в контурі. У момент вимикання холостого ходу пічного трансформаторного агрегату в мережу генерується продовженого (0,01-0,03 с) фронт імпульсів частотою 10-20 кГц і амплітудою (1,5-3,5). Ці коливання викликані не лінійністю вольтамперної характеристики апаратної дуги і періодично повторними її запалювання.

Несиметричні режими виникають при нерівномірному завантаженні фаз печі. Іншими словами, нерівна довжина дуг окремих фаз, нерівні опору і взаімоіндуктівності живильної мережі - причини несиметрії [14].

Несиметрія напруги визначається відмінністю струмів дуг трьох фаз і особливостей короткої мережі. При несиметрії напруги в трифазних мережах зменшується пропускна здатність електричної мережі, з'являються додаткові втрати потужності в елементах СЕС, підвищується нагрів електричних машин, знижується надійність і економічність виробництва, передачі та споживання електроенергії [2].

Нелінійність вольтамперної характеристики дуги ДСП викликає спотворення форми кривої струму і генерацію вищих гармонік. Несинусоїдальні струми через пічний трансформатор потрапляють в мережу електропостачання і викликають для кожної гармоніки різні падіння напруги, в результаті чого спотворюється форма кривої живильної напруги.

Несинусоїдальность кривих зумовлена також такими факторами: оплавлення шматків шихти, подовжує дугу; перекидання дуги з одного шматка шихти на інший; "кипіння" металу і т.д [4, 5]. Крім властивостей дуги, причиною появи вищих гармонік може бути вплив ділянок кола із залізними магнітопроводами (трансформатори, дроселі), насичення яких порушує пропорційність між намагнічує струмом і магнітним потоком.

Несинусоїдальні струми викликають ряд небажаних і ускладнюють роботу установки явищ [6, 7]:
1) збільшення активних втрат в проводах, так як поверхневий ефект для струмів підвищеної частоти виражений сильніше;
2) збільшення втрат в залозі (наприклад, в осерді трансформатора), так як при втрати на вихрові струми і гістерезис зростають з частотою;
3) збільшення індуктивного опору і зниження, так як індуктивний опір пропорційно частоті;
4) різке збільшення небудь з вищих гармонік у порівнянні навіть з амплітудою основної гармоніки при послідовному з'єднанні ємнісного та індуктивного опорів (резонанс напруг), що може створити перенапруги, провідні до пробою ізоляції.

У діапазоні 0-2,5 Гц (рис. 2) з'являються інтергармонік, рівні яких можуть досягати 10% від струму основної частоти.


Спектри напруги при роботі ДСП

Рисунок 2 – Спектри напруги при роботі ДСП: а - коливання напруги, б - спектр з гармоніками (піки) і інтергармонік

Таким чином, ДСП є "генератором" практично всіх видів електромагнітних перешкод. Тому необхідна точна оцінка впливу ДСП на СЕС [16].

 

2. Оцінка несинусоїдальності в мережах з ДСП

2.1 Нормування несинусоїдальності напруги

Несинусоїдальність напруги у всіх стандартах оцінюється за коефіцієнтами спотворення синусоидальности напруги і n-ой гармонійної складової [8].

За інтервал осереднення кількість N спостережень має бути не менше дев'яти. Результати i-го спостереження обчислюються за формулами:


Якість електричної енергії за коефіцієнтом n-ой гармонійної складової напруги в точці загального приєднання вважають відповідним вимогам стандарту ГОСТ 13109-97, якщо найбільше з усіх виміряних протягом 24 год значень коефіцієнтів n-ой гармонійної складової напруги не перевищує гранично допустимого значення, а значення коефіцієнта n-ой гармонійної складової напруги, відповідне ймовірності 95% за встановлений період часу, не перевищує нормально допустимого значення.

2.2 Вихідні дані для оцінювання несинусоїдальності
Вихідними даними для оцінювання несинусоїдальності є криві напруги та струму ДСП, отримані за допомогою реєстратора РЕКОН.

РЕКОН дає можливість зробити спектральний аналіз кривих. Але необхідно провести всю процедуру спектрального аналізу самостійно для оцінки похибки аналізу несинусоїдальності за допомогою РЕКОН.

Розглянемо один період кривої напруги ДСП (рис. 3).


Один період спотвореної кривої напруги ДСП

Рисунок 3 – Один період спотвореної кривої напруги ДСП

Згідно [1] несинусоїдальность характеризується коефіцієнтом спотворення, для якого необхідно знати значення 40 гармонік. Для цього треба знайти спектр діючих значень струмів і напруг.

2.3 Виділення несинусоїдної компоненти
Оскільки електроенергія передається на частоті f = 50 Гц, процес u (t) зміни поточних значень напруги (або струму) природно представити у вигляді суми двох компонент: синусоїдальної uf (t) з частотою 50 Гц і несинусоїдної, які будемо називати синусоїдою і перешкодою.


uv(t) = u(t) − uf(t)               (1)

Розглядається випадок періодичної перешкоди з тривалістю циклу tf = 1 / f = 0.02 с, яка накладається на синусоїду з тією ж тривалістю циклу.

Параметри синусоїди знаходяться різними способами. Хороший результат дає метод найменших квадратів. Також використовується розкладання в ряд Фур'є. У даному випадку будемо використовувати останній.

Частота дискретизації для кривої (рис. 3) складає 2000 Гц. Це означає, що на один період кривої припадає 20 точок. При такій кількості точок РЕКОН видає значення 9 гармонік. Тобто на одну гармоніку − 2 точки, що недостатньо для точної оцінки несинусоїдальності. У нашому випадку на одну гармоніку буде припадає п'ять точок. Значить, на один період необхідно знати не менше 200 точок. Для цього будемо використовувати інтерполяцію заданої функції за допомогою сплайна.

Напруга представляється у вигляді суми першої (основної гармоніки) U1ф (t) і суми канонічних гармонік unΣ (t) c порядком n ≥ 2 [3]:

u(t) = u1Ф(t) + un∑(t).               (2)

Підставимо (2) рівняння в (1). Отримаємо рівняння перешкоди:

uν(t) = u1Ф(t) –uf(t) + un∑(t).

Припустимо, що несинусоїдальну компонента збігається з сумою вищих гармонік, т.е.uf (t) = U1ф (t). Тоді рівняння перешкоди буде мати вигляд:

uν(t) = u(t) – u1Ф(t).

На рис. 4 показані графіки вихідної кривої, синусоїдальної компоненти і перешкоди.

Графіки початкової кривої, синусоїдальної компоненти й перешкоди

Рисунок 4 - Графіки початкової кривої, синусоїдальної компоненти й перешкоди

(easy gif animator, кількість кадрів - 5, затримка часу - 1 с.)

3. Оцінка несіметріі струмів і напруг у мережах з ДСП

3.1 Нормування несиметрії

Згідно [1] несиметрія напруг характеризується наступними показниками:
− Коефіцієнтом несиметрії напруг по зворотній послідовності;
− Коефіцієнтом несиметрії напруг за нульовою послідовністю.

Коефіцієнт несиметрії напруг по зворотній послідовності К2Ui обчислюють у відсотках як результат i-го спостереження за формулою:



де U2 (1) i − діюче значення напруги зворотної послідовності основної частоти трифазної системи напруг в i-му спостереженні, В, кВ;
U1 (1) i − діюче значення напруги прямої послідовності основної частоти в i-му спостереженні, В, кВ.

Коефіцієнт несиметрії напруги за нульовою послідовності K0Ui обчислюють у відсотках як результат i-го спостереження за формулою:



3.2 Оценка несимметрии в электрических сетях с ДСП

ДСП є потужними установками трифазного струму, харчування яких здійснюється від заводських розподільних мереж напругою 6, 10 і 35 кВ. Згідно ПУЕ ці мережі працюють з ізольованою нейтраллю. При роботі печей внаслідок коливань електричного навантаження діючі значення струмів і в будь-який момент часу утворюють несиметричну навантаження. Несиметрія посилюється відмінністю уставок регуляторів струму.

Несиметрія трифазних струмів характеризується коефіцієнтом несиметрії, який визначається як відношення модуля складової зворотній послідовності до модуля складової прямої послідовності [11]:

α = I2/I1

При аналізі несиметричних режимів коефіцієнт несиметрії струмів α доцільно обчислювати безпосередньо через модулі (діючі значення) струмів фаз IA, IB і IC. Формула для визначення коефіцієнта несиметрії через діючі значення струмів має вигляд:


4. Естафетний метод імітації реалізації електроенергетичних процесів

Існуючі методи імітації випадкових процесів не завжди забезпечують точне відтворення КФ. У цьому випадку з розгляду повинні виключатися реалізації, КФ яких не відповідають заданій. Естафетний метод, розроблений на кафедрі електропостачання промислових підприємств і міст ДонНТУ к.т.н. Погребняк Н.Н., дозволяє уникнути повторних імітацій шляхом покращення в КФ якості моделювання випадкових процесів, отриманих іншими методами. Крім того, естафетний метод може бути застосований і як самостійний: для моделювання реалізацій випадкових процесів із заданими законом розподілу ординат і КФ.

Моделювання процесів можна здійснити, якщо відомий закон розподілу випадкової величини. Як правило, для цього використовується функція розподілу (ФР) − універсальна характеристика, яка повно характеризує випадкову велічіну.Сее допомогою можна визначити будь-які числові характеристики випадкової величини. Найбільш важливими з них для практики є середнє значеніедісперсія. На рис. 5 представлені статистична функція розподілу (ФР) напруги на затискачах ДСП на початку плавки, а також гіпотетичні ФР з рівномірним і нормальним законами. Очевидно, що зміна напруги на вводах ДСП добре описуються нормальним законом розподілу. Характерною особливістю роботи ДСП є нестаціонарність режиму за час роботи. Тому інтерес представляє аналіз зміни числових характеристик у три характерних періоди: початок, середина і кінець плавки.

Однак для імітаційного моделювання випадкового процесу знання виду одній тільки ФР недостатньо, оскільки багато показників якості напруги (КН) залежать не тільки від величини ординат перешкоди, але і їх послідовності в часі. Тому необхідно знати також вид кореляційної функції (КФ), яка характеризує тісноту лінійних зв'язків (кореляція) між ординатами процесу, розділеним інтервалом часу τ. На рис. 6 показані КФ напруг трьох фаз ДСП для початкового періоду плавки. Їх аналіз дозволяє зробити висновок, що КФ можуть бути апроксимовані виразом:


                                                       
де D-дисперсія процесу, a і b − параметри КФ, що визначаються за формулами:
                                                         
           Тут Тк - постійна кореляції; t0 - час переходу КФ через 0.

ФР

Рисунок 5 – ФР: діючих значень напруги (1), рівномірного (2) і нормального (3) законів розподілу

КФ

КФ напряжений фаз в начале плавки

Імітацію процесу пропонується виконувати з використанням програми StaSim, розроблену магістром кафедри ЕСіМ Івко Є.Є. на основі алгоритму [12]. Цей алгоритм дозволяє врахувати як закон розподілу процесу, так і його КФ.

Висновок

ДСП − це джерела багатьох електромагнітних перешкод. Доведення показників КЕ до нормованих величин вимагає значних капітальних вкладень і експлуатаційних витрат. Тому необхідна точна оцінка впливу ДСП на систему електропостачання.

Для оцінки несинусоїдальності і несиметрії вихідними даними є записи миттєвих значень фазних або лінійних напруг на затисках ДСП. Побудовані та проаналізовані ФР і КФ напруг для різних періодів плавки дозволяють здійснити імітаційне моделювання процесу зміни напруги на необхідному відрізку часу.

Тестова задача показала принципову можливість екстраполяції процесу методом імітаційного моделювання на більш тривалі проміжки часу. Похибка імітації не перевищила 9,7% при допустимому значенні 10%.

При написанні даного реферату магістерська робота не завершена. Остаточний варіант роботи можна отримати у автора або наукового керівника після грудня 2013.

 

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

  1. ГОСТ 13109-97. Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Электронный ресурс]. – Введ. с 01.01.1999.– Режим доступа: http://www.matic.ru/index.php?pages=123
  2. Аррилага Д. Гармоники в электрических системах / Аррилага Д., Д. Брэдли, П. Боджер. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 215 с.
  3. Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях//2-е изд., перераб. И доп.,– М.: Энергоатомиздат, 1986 – 186 с.
  4. Жежеленко И. В. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях / Жежеленко И. В., Рабинович М. Л., Божко В. М.. Киев: Техника, 1981 – 160 с.
  5. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий / Жежеленко И.В.. – М.: Энергоатомиздат, 2000.
  6. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии / Железко Ю.С.. М.: Энергоатомиздат, 1985.
  7. Окороков Н.В. Дуговые сталеплавильные печи – М.: Металлургия, 1971. – 344 с.
  8. Кузнецов В.Г. Электромагнитная совместимость. Несимметрия и несинусоидальность напряжения / Кузнецов В.Г., Куренный Э.Г., Лютый А.П. – Донецк: Норд-пресс, 2005. – 250 с.
  9. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники / Бессонов Л.А. – М.: Высшая школа, 1964.
  10. Куренный Э.Г. Оценка несинусоидальности напряжения при анализе качества электроэнергии / Куренный Э.Г., Лютый А.П.// Электричество, 2005, № 8.
  11. Минеев Р.В. Повышение эффективности электроснабжения электропечей Текст. / Минеев Р.В., Михеев А.П., Рыжнев Ю.Л. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 207 с.
  12. Куренный Э.Г. «Эстафетный» метод имитации случайных электроэнергетических процессов / Куренный Э.Г., Погребняк Н.Н.// Техническая электродинамика. – 1990. – №3. – с. 3-6.
  13. Цуканов В.В. Экспериментальное определение гармонического состава тока и напряжения дуговых электропечей / Цуканов В.В., Галактионов Г.С., Минеев Р.В. и др. // Промышленная энергетика. -  1975. -  №11. - с. 17-20.
  14. Марков Н.А. Электрические цепи и режимы дуговых электропечных установок // М.: Энергия, 1975. - 204 с.
  15. Алексеев С.В. Влияние дуговых сталеплавильных печей на нагрузку и качество напряжения промышленных электрических сетей / Алексеев С.В., Трейвас В.Г. //В кн. Регулирование напряжения в электрических сетях. М.: Энергия, 1968. - с. 194-204.
  16. Пономарев И.Б., Юшкова Е.И. Оценка несинусоидальности при наличии колебаний напряжения.