Раціональні режими електроспоживання печей опору

Abstract

У дисертаційній роботі вирішено важливу наукову задачу, що полягає у встановленні закономірностей протікання електромагнітних процесів в електропечах опору з тиристорними регуляторами напруги та обґрунтування вибору раціональних режимів електроспоживання з урахуванням стану мережі живлення на її навантаження, які забезпечують зменшення споживання електроенергії та підвищення енергетичної ефективності електропечей, покращують окремі показники електромагнітної сумісності обладнання. Розроблена математична модель визначення енергетичних коефіцієнтів електропечей опору, що враховує, на відміну від відомих моделей, вплив кута керування тиристорами у діапазоні регулювання потужності, характерному для таких печей, та тривалість робочого циклу печі. Для досягнення максимальної енергетичної ефективності електропечей опору запропоновано використовувати неповнофазні режими живлення нагрівачів. Для цього обґрунтовані умови переходу установки у неповнофазний (двофазний або однофазний) режим, що засновані на виконанні умов балансу активної потужності у суміжних режимах. Для оцінки впливу режимів роботи електропечей опору на електромагнітну сумісність обладнання запропонована математична модель розрахунку додаткових втрат активної потужності у цеховому обладнанні, що враховує місце розташування джерела електромагнітної перешкоди (електропечі) у системі електропостачання та режим тиристорного регулятора напруги. Енергоефективне пофазне керування процесом нагріву електропечі опору на відміну від існуючого способу здійснюється шляхом визначення найбільш завантаженої фази електричної мережі та прогнозуванні показників несиметрії напруги при застосуванні несиметричних режимів живлення нагрівачів. Проведено експериментальні дослідження, що підтверджують достовірність отриманих в роботі наукових результатів.

В диссертационной работе решена важная научная задача, которая заключается в установлении закономерностей протекания электромагнитных процессов во время работы электропечей сопротивления с тиристорними регуляторами напряжения и обоснование выбора рациональных режимов электропотребления с учетом состояния питающей сети. Это обеспечит снижение потерь и потребления электроэнергии и повышение энергетической эффективности электропечей, улучшит отдельные показатели электромагнитной совместимости оборудования. Разработана математическая модель определения энергетических коэффициентов электропечей сопротивления, которая учитывает, в отличие от известных моделей, влияние угла управления тиристорами в диапазоне регулирования мощности, характерном для таких печей. Для достижения максимальной энергетической эффективности электропечей сопротивления предложено использовать неполнофазные режимы питания нагревателей. Для этого обоснованы условия перехода установки в неполнофазный (двухфазный или однофазный) режим. Условие перехода - выполнение условий баланса активной мощности в смежных режимах. В результате анализа установлено, что средние значения энергетических коэффициентов в неполнофазных режимах повышаются при снижении мощности печи по сравнению с трехфазными режимами нагревателей. Для оценки влияния режимов работы электропечей сопротивления на электромагнитную совместимость оборудования предложена математическая модель расчета дополнительных потерь активной мощности в цеховом оборудовании, которая учитывает место расположения источника электромагнитной помехи (электропечи) в системе электроснабжения и режим тиристорного регулятора напряжения. Отрабатывая все возможные реализации режимных параметров электропечей, были определены зоны работы, в которых наблюдаются максимальные дополнительные потери активной мощности в электрооборудовании (асинхронных двигателях, конденсаторных установках, цеховых трансформаторах) от несинусоидальности напряжения. Показано, что при эксплуатации электропечей существует возможность избегать этих режимов. Использование неполнофазных режимов питания электропечей имеет эффект симметрирования напряжений, поскольку перераспределяется нагрузка сети по фазам. В отличие от существующих способов симметрирования такой подход является новым, поскольку известные мероприятия по симметрированию в основном предполагают установку специальных устройств, а при использовании предложенного способа, эффект симметрирования получен при управлении режимами электроприемника (трехфазной электропечи с тиристорным источником напряжения). Получены регулировочные характеристики электропечи сопротивления, которые отражают зависимость коэффициентов несимметрии напряжения от соотношения мощностей печной несимметричной и трехфазной симметричной нагрузки. Кроме того учитывается мощность системы. Разработан способ управления режимами электропотребления электропечи сопротивления на основе применения несимметричных режимов питания нагревателей. Предложен алгоритм выбора рационального режима работы электропечи сопротивления, основанный на применении теоремы оптимальности по Паретто. При этом решениями в данном алгоритме являются три возможные варианта питания нагревателей электропечи (трехфазный, двухфазный, однофазный). Оценками являются энергетические коэффициенты, коэффициенты несимметрии напряжения и дополнительные потери мощности в электрооборудовании. Такой подход позволяет сделать выбор режима электропечи при компромиссных решениях. Энергоэффективное пофазное управление процессом нагрева электропечи сопротивления, в отличие от существующего способа, осуществляется путем определения наиболее загруженной фазы электрической сети и прогнозировании показателей несимметрии напряжения. Проведены экспериментальные исследования, которые подтверждают достоверность полученных в работе научных результатов.

It is known that electric resistance furnaces are 90 per cent of heat-treatment machinery of machine-building enterprises. Today tendency of new generation of electric furnaces use takes place to improve quality of heating operation. But together with advantages of modern electric furnaces with thyristor controllers this brings up the question if these electric installations have electromagnetic compatibility with mains as it may have negative influence on other workshop using equipment. Mathematical model to computate parameters of voltage unbalance has been developed while studying unbalanced conditions of electrotechnical plants performance. Among other things it concerns electric resistance furnaces. The model is a system of equations on equivalent circuits of network taking into consideration technologic operating conditions of furnaces. Joint solution of the systems as for currents and voltages of positive sequence, reverse sequence and zero sequence helps to determine unbalance indices under any combination of mains-operated parameters and parameters of balanced load and unbalanced load. To make qualitative assessment of balancing effect of single-phase energizing conditions for furnaces it is necessary to determine limits of variation of unbalance indices under different combinations of mains-operated parameters and load-voltage characteristics. That’s why it is expedient to use the mathematical model for parameter synthesis of optimum relations between general shop load and furnace load to remove unbalance. To generalize results obtained suppose that load within low voltage buses of workshop transformer is of balanced character, and furnace plant is a source of unbalance. Such an approach helps to determine unbalance falling at single-phase conditions of furnace.