// Электрификация металлургических предприятий
Сибири. Вып.12. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. С. 87–93.
О ПРИМЕНЕНИИ ТЕХНОЦЕНОЛОГИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРИ
РАЗРАБОТКЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОТЕРМИИ
Ю.П. Зубюк
Современное состояние электротехнологических
производств, в том числе таких энергоемких как электротермические, требует
отказа от многих устаревших унифицированных схемных и элементных решений систем
электропитания и электроснабжения (СЭС), использования мероприятий и применения
средств, которые позволили бы снизить завышенную в большинстве случаев энергоемкость
продукции.
Системы электротермии (СЭТ) рассматривают как
выделенные части СЭС – совокупности энерготехнологических цепочек
"источник питания–электротермическая
установка", объединённые едиными задачами управления технологическими
процессами в целом. На современных машиностроительных и других предприятиях,
использующих процессы электрометаллургии, электротермообработки
и электромагнитной разливки применяют, в частности, индукционные печи, агрегаты,
миксеры, электромагнитные дозаторы жидких метал-лов
индукционного типа (обозначим всё это оборудование аббревиатурой ИПАМД). Эти
нагрузки СЭС являются низкокосинусными, нелинейными,
несимметричными, фазочувствительными и функционируют
в непрерывно-циклических, повторно-кратковременных (импульсных) и специфических
режимах, что требует применения специальных подходов к построению систем
электропитания и электроснабжения, учитывающих как особенности электротехнологических процессов, так и требования
обеспечения показателей качества электроэнергии согласно ГОСТ 13109–97.
Обследования СЭС ряда украинских предприятий с
литейными цехами, оборудованными ИПАМД и другим электрооборудованием
промышленной частоты, показали, что возможности комплексного использования их полезных
системных эффектов (например возможности взаимокомпенсации факторов ухудшения качества
электроэнергии) в большинстве случаев не используют или используют не в полной
мере. В общем случае построение высокоэффективной СЭТ
должно удовлетворять условиям
(1)
где I и К – показатели эффективности соответственно электротехнологического
процесса и системы электропитания (электроснабжения); Y – вектор переменных
управления (параметров элементов СЭТ).
Совершенствование СЭТ возможно за счет рационализации
схемных решений, применения специальных преобразователей параметров
электромагнитной энергии, средств компенсации реактивной мощности, средств
обеспечения электромагнитной совместимости, многофункциональных
(комбинированных) устройств и др. Для обеспечения параметров электромагнитной
энергии, необходимых для эффективного ведения технологических процессов ИПАМД,
применяют трансформаторные, индуктивно-емкостные, емкостные, полупроводниковые
и комбинированные преобразователи напряжения. Наибольшее разнообразие схемных
решений преобразователей напряжения, средств компенсации реактивной мощности и
обеспечения электромагнитной совместимости используют на третьем уровне СЭС.
Это определило наличие ряда альтернативных СЭТ, когда
могут проявляться полезные системные свойства.
Исследования
показывают, что повышение эффективности СЭТ может основываться на использовании
техноценологических закономерностей [1], например, за
счет оптимизации или рационализации количественного и качественного состава
электрооборудования, т.е. применения наиболее приемлемой комбинации
определённых видов разнохарактерных (например, индуктивных и емкостных)
элементов, которые принимают участие в процессе преобразования параметров
электромагнитной энергии для ИПАМД, в частности косинусных конденсаторов
соответствующих устройств). Этому, в частности, способствует наблюдаемый настоящее
время значительный прогресс в конденсатостроении: применение
новых материалов, позволивших существенно расширить шкалу типономиналов,
применение резистивных, тиристорных и вакуумных
контакторов, микропроцессорной техники для защиты и регулирования мощности
конденсаторных установок и др.
При наличии альтернатив построения преобразовательных
устройств и разнохарактерных элементов в СЭС (до 3–4 уровня) с числом наименований
электрооборудования больше ста единиц можно успешно использовать системные
свойства и, при реализации наиболее благоприятного состава преобразователей,
построить СЭТ с повышенной эффективностью использования электроэнергии в целом.
Например, в чугунолитейном цехе машиностроительного предприятия выделим, в
частности, следующие группы электрооборудования:
•несколько плавильных индукционных тигельных печей (с соответстующим электрооборудованием), мощность которых
составляет десятки МВА;
•около десятка миксеров жидкого металла единичной
мощностью сотни и тысячи кВА;
•несколько десятков электромагнитных дозаторов жидкого
металла и несколько печей сопротивления с соответствующим электрооборудованием,
единичная мощность которых составляет сотни кВА;
•сотни электродвигателей конвейеров, водоснабжения,
вентиляции и др., единичной мощностью от единиц до нескольких сотен кВА;
•несколько сотен относительно маломощных осветительных
приборов и других электроприёмников.
В состав электрооборудования ИПАМД входят также печные
трансформаторы, установки компенсации реактивной мощности, симметрирующие,
фильтрующие, комбинированные устройства, электрооборудование вспомогательных
участков и производств и др.
Анализ кривой видового распределения (по
видообразующему параметру – установленной мощности) [1, 2] показывает, что в
районе пойнтер-точки аппроксимирующей гиперболы
находится электрооборудование электромагнитных дозаторов жидкого металла.
Наиболее удалены от пойнтер-точки неоднородные касты
(в которые попадают мощные печи, агрегаты, миксеры, мощные трансформаторы и
т.п.) и однородные касты – сгруппированные по диапазонам мощности большие
группы маломощных двигателей и осветительных приборов. В [1] показано, что
виды, сгуппированные вблизи пойнтер-точки,
оказывают наиболее существенное влияние на свойства и эффективность таких систем.
Увеличение разнообразия (разнохарактерности) таких определяющих видов (в
рассматриваемом случае – электрообрудование
дозаторов), использование их взаимодействия и взаимовлияния позволяют построить
высокоэффективную систему техноценологического типа,
например СЭТ.
В исследуемых СЭС в качестве
современных электромагнитных дозаторов применяют магнитодинамические установки
(МДУ) [3], позволяющие осуществлять плавку, транспортировку, безокислительную разливку и внепечную обработку
(рафинирование, легирование, модифицирование, вакуумирование)
металлов и сплавов. В общем случае МДУ представляют собой индукционные канальные
печи с дополнительными системами электромагнитов – обмотки расположены на разомкнутом
магнитопроводе и служат для создания переменного
магнитного потока в активных зонах каналов. При включении электромагнитов и за
счет взаимодействия электрического тока в жидком металле с внешним магнитным
полем создаются силы, обеспечивающие регулируемое движение жидкого металла в
литейные формы. Эффективая работа МДУ происходит в
условиях регулирования амплитуд напряжений (U=var) при некотором стабильном соотношении их начальных фаз ψ на
индукторах и электромагнитах (∆ψ=const), близком к оптимальному с точки зрения обеспечения максимального
технологического эффекта при минимальных энергозатратах.
Соответствие критерию П
в (1) в МДУ для каждой из электромагнитных систем в этом случае имеет вид
Традиционно основными элементами системы электропитания
МДУ являются регулируемый печной трансформатор, симметрирующее
устройство, конденсаторная установка для компенсации реактивной мощности
индукторов и электромагнитов. Эффективны емкостные преобразователи напряжения
[3], которые за счет одновременного регулирования мощности
по меньшей мере двух конденсаторных батарей позволяют регулировать амплитуды и
стабилизировать сдвиг начальных фаз напряжений на электромагнитных системах, за
счет чего обеспечены оптимальные (максимальные) значения электромагнитных сил Fэм=f(U, ∆ψ) в активных зонах МДУ и, как результат, высокоэффективное
проведение электротехнологических режимов нагрева,
перемешивания и дозированной разливки металла. Емкостные преобразователи
одновременно позволяют осуществлять компенсацию реактивной мощности и
симметрирование токов [3]. Кроме того, при реализации скоординированного
управления разнохарактерными элементами питания индуктивного (
) и емкостного типов (
) нескольких индукционных систем или нескольких МДУ
(например, при питании индукторов и электромагнитов одновременно от
трансформаторных и емкостных преобразователей напряжения) и выполнении условия
|
|< для обеспечения критерия К по формуле (1), можно также получить:
• компенсацию реактивной мощности (полную или частичную)
• симметрирование токов (полное или частичное)
• снижение отклонений и колебаний напряжения
• отсутствие резонансных перегрузок на частотах высших
гармонических составляющих напряжения (за счет соответствия гармонического
состава напряжения форме импедансно-частотных
характеристик входного сопротивления узла СЭС)
где
– пульсирующая
мощность, характеризующая несимметрию токов и напряжений
i-той нагрузки ; 
– допустимый уровень
пульсирующей мощности (здесь и далее индекс d обозначает допустимый уровень
величины); 
,
,
– коэффициенты обратной, нулевой последовательностей и несинусоидальности напряжения; 
– коэффициент мощности
на входе системы; 
,,,
– суммарные активная, индуктивная, емкостная и пульсирующая
мощности элементов системы; ν – порядковый номер
гармоники; 
, 
, 
– напряжение, ток и
входное сопротивление ν-той гармонической
составляющей; 
, 
– импульсный ток и
продолжительность включения i-той
нагрузки; 
, 
– размах изменения
амплитуды и начальной фазы напряжения.
Последнее условие особенно актуально при применении в
СЭТ мощных искажающих нагрузок (полупроводниковых преобразователей, дуговых, сварочных
установок и др.). Исследования импедансно-частотных
характеристик входного сопротивления
узла СЭС литейых цехов показывают, что при совместном
применении преобразователей напряжения электромагнитных систем МДУ индуктивного
и емкостного характера возможно обеспечить отсутствие
совпадения нулей и полюсов этих харатеристик с
соответствующими экстремумами амплитудного спектра гармонических составляющих
питающего напряжения. Это касается как высших, так и субгармонических составляющих
напряжения (последние вызываются специфическими коммутациями и анормальными
технологическими режимами, например пинч-эффектами в каналах индукционных
установок). Разработаны системы защиты от резонансных и квазирезонансных режимов
в электрообородовании таких установок [3], позволяющие
элементам СЭТ и непосредственно ИПАМД надежно функционировать.
Таким образом, применение техноценологических
закономерностей, например в виде организации и
использования разнохарактерности основных видов электропотребителей,
расположенных в районе пойнтер-точки гиперболических
видовых распределений, предполагает получение полезных эффектов, например взаимокомпенсации факторов ухудшения качества
электроэнергии в СЭТ. Так, реализация одновременного электропитания индукционных
систем МДУ от трансформаторных (индуктивных) и емкостных преобразователей напряжения
позволяет существенно снизить установленную мощность средств компенсации
реактивной мощности и средств обепечения электромагнитной
совместимости, за счет чего по меньшей мере в 1,5 раза
снизить установленную мощность и стоимостные характеристики всего
электрооборудования МДУ, снизив соответственно эти показатели по системе
электротермии с ИПАМД в целом.
Литература
1. Кудрин Б.И. Введение в технетику.
Томск: Изд-во Томск. гос. университетата, 1991. 384 с.
2. Гнатюк В.И. Оптимальное построение техноценозов.
Теория и практика. Вып. 9. "Ценологические
исследования". М.: Центр системных исследований, 1999. 272 с.
3. Борисов Б.П., Зубюк Ю.П., Шнурко В.К. Системы
электропитания магнитодинамических установок. Киев: Наукова
думка, 1994. 248 с.