// Электрика. – 2007. – № 7.– С. 3–9.
ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗНОГО ПРОИЗВОДСТВА
АЛЮМИНИЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Ю.И. Хохлов
Южно-Уральский государственный университет
Для энергоёмких
потребителей постоянного тока (электролизные производства цветной металлургии и
химической промышленности, электротермические производства, электрический
транспорт, электропривод и др.) решение проблем энерго-
и ресурсосбережения является наиболее актуальным, поскольку оно сопряжено со
значительным экономическим эффектом. Алюминиевая промышленность, потребляющая
15000–17000 кВтч на тонну алюминия, является одной из наиболее энергоёмких и
развивающихся отраслей народного хозяйства [1]. В условиях строительства новых
крупных алюминиевых заводов (Богучанского, Тайшетского, Павлодарского и др.), а также реконструкции ряда
существующих обозначенную проблему уместно рассмотреть на примере систем
электроснабжения (СЭС) алюминиевой промышленности (однако рассматриваемые ниже
решения применимы и для других потребителей постоянного тока).
Наряду с технологическими
факторами важнейшими показателями, определяющими эффективность использования
электрической энергии при электролизе алюминия, являются её качество на входе и
выходе преобразовательных агрегатов и уровень потребляемой ими из сети
реактивной мощности.
Для технолога
электрическая энергия является качественной, если выпрямленный ток достаточно жёстко
стабилизирован, поскольку от степени стабилизации зависит выход металла по
току, а иногда и надёжность работы электролизёров. Работа электролизной серии
неизбежно сопровождается постоянным появлением анодных эффектов (вспышек) в
одной или нескольких ваннах, в результате которых резко возрастает
сопротивление "больных" электролизёров (напряжение на них возрастает
в среднем с 4–5 до 40–50 В, что приводит к снижению
выпрямленного тока всей серии и, соответственно, к снижению её
производительности). Указанный отрицательный эффект усиливается при колебаниях
напряжения в питающей агрегаты сети переменного тока, поэтому необходимо
избавиться от изменений выпрямленного тока. Кроме того, технолог заинтересован
в полном использовании выпрямительных агрегатов по току и напряжению, поскольку
при этом в электролизную серию может быть передана максимальная активная
мощность, включено максимальное число электролизёров, получен максимальный
технологический и, соответственно, энергосберегающий эффект.
Для энергетика качество
электрической энергии, прежде всего, связано с гармоническим воздействием
преобразовательных агрегатов на питающую сеть и с потреблением ими из сети реактивной
мощности. Достаточный уровень электромагнитной совместимости агрегатов с
питающей сетью должен быть обеспечен при выполнении всех указанных выше условий
со стороны технологического процесса. А это предъявляет особые требования к
способам регулирования выпрямленного напряжения и компенсации реактивной
мощности выпрямительных агрегатов.
В силу больших величин
токов электролизных серий (десятки и сотни килоампер)
выпрямительные агрегаты СЭС алюминиевых заводов имеют преимущественно диодное
исполнение. В этом случае для стабилизации выпрямленного тока традиционно используют
дроссельное управление, осуществляемое в пределах дискретного трансформаторного
регулирования напряжения. При работе дросселей на основной частоте в режиме
самонасыщения с принудительным подмагничиванием традиционный способ обладает рядом
серьёзных недостатков, к которым следует отнести значительную инерционность
управления и большую установленную мощность дроссельного комплекта. Эти
недостатки практически устраняются при использовании схемных
решениий [2–5] и быстродействующего способа управления
дросселями насыщения. Однако и в этом случае использование дроссельного управления
сопряжено со значительным ухудшением массогабаритных, энергетических и
конструктивных показателей выпрямительных агрегатов.
В последние годы на некоторых
предприятиях алюминиевой промышленности применяют тиристорные
выпрямительные агрегаты [6], где регулирование выпрямленного напряжения осуществляется
изменением углов управления тиристоров выпрямительных блоков (фазовое
управление). При этом обеспечивается необходимая плавность регулирования
напряжения. Однако такие агрегаты имеют большую установленную мощность
управляемых полупроводниковых приборов (тиристоров), включённых во вторичные
сильноточные цепи (со стороны вентильных обмоток трансформаторов) и
относительно сложную систему управления. С возрастанием мощности агрегатов, при
осуществлении глубоких вводов на подстанции повышенных напряжений, когда токи
первичных цепей выпрямительных трансформаторов в десятки и сотни раз меньше
токов во вторичных цепях, управление выпрямительными агрегатами целесообразно
переносить на первичную сторону трансформаторов.
Главным недостатком агрегатов как с дроссельным, так и с тиристорным
управлением является их низкий коэффициент мощности, который снижается до
недопустимых для мощных преобразователей величин. Дело в том, что при больших
токах нагрузки углы коммутации вентилей неуправляемых выпрямительных агрегатов
приближаются к 30 эл. град. А это означает, что угол сдвига фаз неуправляемого
выпрямителя равен примерно 20 эл. град. Агрегат даже
при отсутствии управления потребляет из сети реактивную мощность, по величине равную
30–40 % от активной. При фазности агрегата больше 12
положение ухудшается и из-за появления вынужденных углов задержки включения
вентилей.
Вводить в этих условиях в
агрегаты внутреннее фазовое регулирование выпрямленного напряжения (как
дроссельное, так и тиристорное) нецелесообразно, поскольку
оно ведёт к дальнейшему существенному снижению коэффициента мощности агрегата
(пропорционально глубине регулирования выпрямленного напряжения) и,
следовательно, к дальнейшему повышению потребления реактивной мощности из сети.
Последнее в условиях электролизного производства алюминия является
особенно серьёзной проблемой, поскольку в этом случае выпрямительные агрегаты
большую часть времени работают в зарегулированном режиме (при пониженном
напряжении) и открываются лишь на время анодного эффекта (вспышки) в ваннах.
Очевидна необходимость применения устройств компенсации реактивной мощности. Но
традиционное применение внешних по отношению к агрегату компенсирующих
устройств (например, в виде пассивных фильтров), с одной стороны, неэффективно из-за
работы их на основной частоте, с другой – не совершенствует технические
характеристики агрегатов и не позволяет получить указанный выше максимальный
технологический эффект.
Новым нетрадиционным
направлением построения СЭС алюминиевой промышленности является применение
параметрических источников тока [7–10] (пока ограниченное): их используют лишь
на двух заводах (с выходными параметрами 150 В, 50000
кА [7]). Работают они в неоптимальном некомпенсированном режиме с шестифазной
нулевой схемой преобразования. Характеристики таких агрегатов могут быть
существенно улучшены при переводе их в многофазный компенсированный режим
работы [8–10].
По мнению автора, в современных условиях следует кардинально изменить
стратегию построения выпрямительных агрегатов СЭС электролизного
производства алюминиевой промышленности. Функцию компенсации реактивной
мощности с помощью высокоэффективного и многофункционального компенсирующего устройства
целесообразно сделать внутренней, а регулирующую функцию современного
регулирующего устройства с использованием индивидуального для каждого агрегата
или группового – внешней. Перспективно устройство, реализующее принцип
формирования плавно регулируемого по фазе и амплитуде вольтодобавочного
напряжения, создаваемого путём синусоидальной широтно-импульсной модуляции
постоянного напряжения. Примеры таких двенадцатифазных выпрямительных агрегатов
представлены на рис. 1 и 2 (аналогично строят и агрегаты большей фазности). Они включают шестифазные преобразовательные
блоки 1 и 2 с преобразовательными трансформаторами 3 и 4 и выпрямительными
мостами 5 и 6. По отношению к нагрузке выпрямительные мосты могут соединяться
как последовательно (рис. 1, а), так и параллельно (рис. 1, б; 2). Схемами
соединения обмоток трансформаторов 3 и 4 обеспечивается двенадцатифазный режим преобразования.
Компенсирующее устройство 7 состоит из трёхфазных реакторов 8 и 9 и
коммутирующей конденсаторной батареи 10 и может включаться как со стороны
сетевых, так и со стороны вентильных обмоток трансформаторов (см. рис. 1 и 2).
Преобразовательные трансформаторы могут выполняться как на самостоятельных магнитопроводах (рис. 1), так и на одном совмещённом магнитопроводе (рис. 2). Дополнительно
введённый автономный инвертор напряжения 11 содержит трёхфазный выпрямительный
мост на полностью управляемых вентилях (например, на IGBT транзисторах)
с обратными диодами 12, входной конденсатор 13 и систему управления 14,
обеспечивающую синусоидальную широтно-импульсную модуляцию выходного напряжения
инвертора 11, которое с помощью согласующего трёхфазного трансформатора 15
вводится в цепь сетевых обмоток преобразовательных трансформаторов 3 и 4.
В пакете MATLAB/SIMULINK разработаны модели СЭС с
предлагаемыми выпрямительными агрегатами, при помощи которых проведено
исследование статических, динамических и спектральных характеристик систем. В
качестве примера на рис. 3 приведена модель СЭС (с агрегатом по схеме рис. 1, а),
а на рис. 4 представлены полученные с её помощью временные диаграммы
процессов при углах сдвига фаз регулирующего напряжения по отношению к фазному
напряжению сети, соответственно равных 
; 90 и 180 эл.
град.
Работа предлагаемых выпрямительных
агрегатов осуществляется следующим образом. После подключения агрегата к
питающей сети на выходах преобразовательных блоков создаётся постоянное
напряжение (см. рис. 4) (кривые нарастающего с нуля тока и напряжения на
нагрузке). Это напряжение соответствует двенадцатифазному режиму преобразования,
поскольку вентильные обмотки трансформаторов 3 и 4 соединены в звезду и
треугольник, что можно осуществить и для сетевых обмоток трансформаторов 3 и
4). Выпрямленное напряжение агрегата подают на вход автономного инвертора
напряжения 11. В соответствии с принципом широтно-импульсной модуляции системой
управления инвертора 14 формируют синусоидальное модулирующее напряжение с
частотой питающей сети и пилообразное напряжение с несущей частотой, значительно
превышающей частоту напряжения питающей сети (в десятки и сотни раз). Указанные
напряжения определяют моменты открытия и закрытия управляемых вентилей моста
12, коммутирующих с несущей частотой пилообразного напряжения. В результате на
выходе инвертора 11 создаётся переменное импульсное трёхфазное напряжение,
первая гармоника которого имеет частоту модулирующего напряжения (т. е. частоту
напряжения питающей сети). Выходное трёхфазное напряжение инвертора 11 подают
на первичную обмотку трёхфазного согласующего трансформатора 15. Создаваемое на
его вторичных обмотках выходное напряжение (см. рис. 4 –кривые напряжения на
выходе согласующего трансформатора), повторяющее форму выходного напряжения
инвертора, вводят пофазно последовательно между
питающей сетью и сетевыми обмотками преобразовательных трансформаторов 3 и 4
(вторичная обмотка согласующего трансформатора имеет соединение "разомкнутая
звезда"). На рис. 4 частота питающей сети и соответственно модулирующего
напряжения равна 50 Гц, а несущая частота пилообразного напряжения и
соответственно частота коммутации управляемых вентилей инвертора – 5000 Гц.
Начальную фазу и амплитуду первой гармоники напряжения на выходе инвертора 11 (следовательно,
и на выходе согласующего трансформатора) регулируют соответственно изменением
фазы и амплитуды модулирующего напряжения. В качестве примера на рис. 4 показано
изменение фазы напряжения на выходе трансформатора 15 (рис.4, а – 0, рис. 4, б
– 90, рис. 4, в – 180 эл. град). Таким образом, изменением выходного напряжения
инвертора (осуществляемым изменением фазы, амплитуды или той и другой величины
модулирующего напряжения) изменяют результирующее напряжение на сетевых
обмотках преобразовательных трансформаторов 3 и 4, тем самым плавно регулируя
выпрямленное напряжение всего агрегата. Максимальную глубину регулирования
задают соответствующим выбором коэффициента трансформации согласующего
трансформатора 15 с учётом инвертирования напряжения на вторичной обмотке этого
трансформатора при переходе от одного предельного значениях фазы модулирующего
напряжения, равного 0 (рис. 4, а), к другому предельному значению, равному 180 эл. град.
(рис. 4. в). С учётом инвертирования величину регулирующего напряжения и,
следовательно, установленную мощность инвертора 11 и трансформатора 15 выбирают,
исходя из половины требуемой глубины регулирования выпрямленного напряжения.
С целью повышения коэффициента
мощности выпрямительных агрегатов, повышения жёсткости их внешних характеристик
(а при параллельной работе шестифазных блоков – и обеспечения жёсткого
равномерного деления выпрямленного тока между ними) агрегаты снабжают
компенсирующим устройством 7. Обтекаемые токами преобразовательных блоков
первичные обмотки реакторов 8 и 9 компенсирующего устройства 7 трансформируют
во вторичные обмотки, характерные для шестифазных блоков гармоники (первую,
пятую, седьмую, одиннадцатую, тринадцатую и далее). По отношению к этим гармоникам
вторичные обмотки реакторов образуют короткозамкнутую цепь: (реакторы 8 и 9
работают в режиме трансформатора тока). Протекание этих гармоник по общей
вторичной цепи реакторов обеспечивает жёсткое выравнивание выпрямленных токов
преобразовательных блоков 1 и 2 при их параллельной работе (рис. 1, б и 2). По
отношению к пятой, седьмой и следующим гармоникам реакторы 8 и 9 работают в
режиме трансформатора напряжения, создавая на конденсаторной батарее 10
напряжения соответствующих гармоник (см. рис. 4 – кривые тока и напряжения на
коммутирующей конденсаторной батарее). Напряжениями на конденсаторной батарее
осуществляется опережающая искусственная коммутация вентилей выпрямительных
мостов 5 и 6, работающих в характерном для компенсированных выпрямителей режиме
(см. рис. 4 – кривые тока и напряжения на диодах выпрямителя). Искусственная
коммутация вентилей обеспечивает совпадение по фазе первых гармоник напряжения
и тока сети (см. рис.4 – кривые тока и напряжения питающей сети), что повышает
коэффициент мощности выпрямительного агрегата и жёсткость его внешней
характеристики.
При использовании
предлагаемых систем электроснабжения достигается значительный энерго- и ресурсосберегающий эффект при полном
удовлетворении требований со стороны как технолога, так и энергетика
алюминиевого производства. Эффект обеспечивается рядом его основных преимуществ
по сравнению с традиционными решениями:
1. Выпрямительные
агрегаты имеют простейшее конструктивное диодное исполнение.
2. Компенсирующее
устройство за счёт работы на частотах 250, 350 Гц имеет минимальную
установленную мощность: мощность реакторов составляет всего лишь 5–7 % от
преобразуемой мощности, а мощность конденсаторной батареи примерно на порядок
меньше, чем требуется при их включении во внешние компенсирующие устройства.
3. За счёт компенсации
реактивной мощности непосредственно в месте её потребления на 4–5 % повышают жёсткость
внешних характеристик и выходную мощность выпрямительных агрегатов, что создаёт
возможность включения такого же числа дополнительных электролизёров,
обеспечивая значительный технологический эффект.
4. За счёт жёсткого
равномерного деления выпрямленного тока между параллельно работающими
шестифазными блоками из схемы преобразователей исключаются устройства
выравнивания токов блоков, увеличивается выходная мощность агрегатов по току и достигается
дополнительный энерго- и ресурсосберегающий эффект при
одновременном повышении качества электрической энергии в питающей сети.
5. Полная компенсация
реактивной мощности существенно снижает потери электрической энергии в системах
электроснабжения, а соответствующая фазность
преобразования агрегатов снимает проблему гармонического воздействия агрегатов
на питающую сеть.
6. Малая установленная
мощность современного внешнего регулирующего устройства обеспечивает сколь
угодно плавное регулирование выпрямленного напряжения и, следовательно,
стабилизацию выпрямленного тока (как при возникновении анодных эффектов в
электролизных сериях, так и при колебаниях напряжения питающей сети).
В заключение следует
отметить, что предлагаемый принцип компенсации реактивной мощности, проверен
многолетней практикой эксплуатации внедрённых по разработкам автора
компенсированных выпрямительных агрегатов [8, 9, 11, 12]. Предложенный способ
регулирования выпрямленного напряжения агрегатов является развитием принципа,
используемого при построении гибких линий электропередач переменного тока. В тех
случаях, когда нет необходимости в компенсации реактивной мощности
выпрямительных агрегатов, данный способ регулирования применим в схемах (см. рис.
1 и 2) и при отсутствии компенсирующего устройства.
Список
литературы
1. Бохмат И. С. Алюминиевая промышленность и электроэнергетика: реальность и перспективы // Электрика. 2004. № 8. С. 3–13.
2. Патент 1781793. Российская Федерация. Управляемый выпрямитель /Ю. И. Хохлов // Бюл. изобр. 1992. № 46.
3. Патент 2100896. Российская Федерация. Многофазный выпрямительный агрегат /Ю.И. Хохлов // Бюл. изобр. 1997. № 36.
4. Патент 2165670. Российская Федерация. Многофазный выпрямительный агрегат /Ю.И. Хохлов // Бюл. изобр. 2001. № 11.
5. Хохлов Ю. И., Прохоров В. В. Способы дроссельного управления полупроводниковыми выпрямительными агрегатами // Промышленная энергетика. 2000. № 5. С. 47–49.
6. Бобков В. А., Бобков А. В. Реконструкция преобразовательных подстанций для питания электролизёров алюминия // Силовая электроника. Тематическое приложение к журналу "Компоненты и технологии". 2006. № 4. С. 66–68.
7. Ввод в эксплуатацию системы электроснабжения
опытной серии электролиза алюминия (300 кА, 150 В) на основе параметрических
источников тока / В. П. Светоносов, Я. Л. Фишлер, А. В. Виноградов, Л. М. Пестряева,
Ю. И. Хохлов, К. Д. Гуттерман // Пути улучшения
энергетических и массо-габаритных
показателей полупроводниковых преобразователей электрической энергии: Тез. Докл. V Всерос. науч.–техн. конф.
Челябинск: ЧГТУ, 1993 С. 3–5.
8. Хохлов Ю. И. Компенсированные выпрямители с фильтрацией в коммутирующие конденсаторы нечётнократных гармоник токов преобразовательных блоков. Челябинск: ЧГТУ. 1995. 355 с.
9. Хохлов Ю. И. Проблемы энергосбережения в системах
электроснабжения на основе энергетической электроники // Наука и технологии.
Труды XXIII Рос. шк.
по проблемам науки и технологий. М.: РАН, 2003. С. 555–570.
10. Хохлов Ю. И. Компенсированные параметрические источники тока и их свойства // Электричество. 2007. № 3. С. 26–31.
11. Патент 1124414 Российская Федерация.
Компенсированный преобразователь переменного напряжения в постоянное
/ Ю. И. Хохлов // Бюл. изобр.
1984. № 42.
12. Результаты промышленных испытаний первого компенсированного выпрямительного агрегата с пятой и седьмой гармониками тока в конденсаторах /Ю. И. Хохлов, И. Л. Красногорцев, С. Г. Ляпкало и др. // Электричество. 1989. № 3. С. 26–31.