Моделирование регулируемых преобразовательных агрегатов электролизных установок

С развитием электротехнической промышленности все большее значение приобретает задача экономии ресурсов и материалов. Среди ее многочисленных аспектов важными" являются вопросы энергосбережения и электромагнитной совместимости с сетью энергоемких электротехнологических установок постоянного тока (электролиз алюминия и цветных металловэлектролиз водных растворов в химической промышленности).

Производительность электротехнологических установок, нормальное функционирование и срок службы отдельных потребителей электрической энергии существенно~ зависят от качества питающего напряжения. Регулирование и стабилизация параметров электроэнергии в указанных установках выполняется с наименьшими энергозатратами при комбинированном управлении, как на стороне постоянного тока, так и на стороне переменного тока. Регулирование напряжения на стороне переменного тока в настоящее время осуществляется преимущественно с помощью контакторных устройств РПН с гашением дуги вакуумными дугогасительными камерами. ~.

Выпускаемые механические РПН трансформаторного оборудования имеют низкое быстродействие, недостаточную электрическую износостойкость контактора (50 000−200 000 переключений) из-за воздействия на них электрической дуги при выполнении переключений, низкую точность регулирования напряжения трансформатора, требующую дополнительных устройств регулирования напряжения на нагрузке.

Одним из направлений по усовершенствованию устройств РПН трансформаторного оборудования является широкое использование электротехнологических установок, регулирующими органами которых являются современные полупроводниковые тиристоры.

Развитие полупроводниковой технологии привело к созданию полупроводниковых преобразователей, существенно превосходящих по своим технико-экономическим показателям другие регулирующие элементы. Высокая эффективность, надежность в эксплуатации, быстродействие и качество регулирования обеспечили широкое внедрение полупроводниковых преобразователей в регуляторах и стабилизаторах самых различных назначений.

Перспективными областями применения таких регуляторов являются [96]: -электротехнологические установки постоянного тока (электролиз алюминия и цветных металлов, электролиз водных растворов в химической промышленности);

— электротермическое оборудование в цветной и черной металлургии. Дальнейшее развитие тйристорных регуляторов напряжения связано с улучшением качества выходного напряжения и тока, повышением коэффициента мощности и к.п.д., улучшением массогабаритных характеристик преобразователей.

Одним из способов улучшения качества регулируемого напряжения является применение трансформаторно-тиристорных регуляторов напряжения, выходная кривая напряжения которых формируется из отрезков двух или нескольких синусоид различной амплитуды.

Улучшения кривой выходного напряжения можно добиться путем использования вольтодобавочных трансформаторов, коммутируемых тиристорными ключами. Регулирование напряжения в таких ТТРН выполняется за счет фазовой модуляции синусоидального напряжения, подводимого к первичной стороне.

Проектирование и реализация надежных тиристорных регуляторов напряжения невозможны без глубокого анализа их динамических режимов работы. Особый интерес представляет исследование коммутационных и нестационарных процессов, «влияющих на расчетные параметры силовых элементов устройств ТТРН.

Исследование электромагнитных процессов, оптимизацию параметров ТТРН в коммутационных режимах, разработку оптимальных алгоритмов управления тиристорными ключами удобнее всего выполняется на математических моделях устройства [12, 17−19, 42].

Развитие вычислительной техники и соответствующего программного обеспечения открывают новые возможности по созданию математических моделей преобразовательных устройств, основанных на принципах имитационного моделирования. Имитационное моделирование наиболее мощный и универсальный метод исследования таких систем [16, 17, 41, 53]. В данном случае формирование математической модели каждого конкретного вида преобразователя может быть осуществлено путем ввода в модель преобразователя исходных данных или макромоделей, определяющих топологию магнитной и электрической цепей.

В настоящее время в распоряжении пользователя есть программный продукт, позволяющий весьма эффективно осуществлять процесс моделирования — пакет Matlab (версия" 5.*), содержащий в своем составе инструмент визуального моделирования Simulink [41,44,77].

Пакет моделирования динамических систем Simulink является ядром интерактивного программного комплекса, предназначенного для математического моделирования линейных и нелинейных динамических систем и устройств, представленных блок-схемой. Simulink автоматизирует наиболее трудоемкий этап моделирования: он составляет и решает сложные системы алгебраических и дифференциальных уравнений, описывающих заданную модель, обеспечивая удобный наглядный" визуальный контроль за поведением устройства.

Интеграция одной из самых мощных математических систем Matlab с пакетом Simulink открывает новые возможности использования самых современных методов для решения задач динамического и ситуационного моделирования сложных электромагнитных устройств.

Целью диссертационной «работы является разработка и исследование математических моделей регулируемых преобразовательных агрегатов электролизных установок. Для достижения поставленной цели автор решает следующий задачи:

— анализ основных схемотехнических решений тиристорных устройств РПН трансформаторного оборудования преобразовательных агрегатов, трансформаторно — тиристорных регуляторов напряжения и разработка на его основе новых схемотехнических и алгоритмических решений;

— разработка математических моделей «однофазных и трехфазных многообмоточных трансформаторов с тиристорными переключающими устройствами на первичной стороне;

— анализ установившихся и динамических коммутационных электромагнитных процессов однофазных и трехфазных ТПУ;

— разработка математических моделей преобразовательных трансформаторов с тиристорными переключающими устройствами в комплексе с многофазными мостовыми выпрямительными агрегатами;

— анализ установившихся и динамических коммутационных электромагнитных процессов многофазных преобразовательных агрегатов;

— расчет технико-экономических показателей при модернизации серийных преобразовательных агрегатов.

Методы исследования. Ъ качестве инструмента анализа электромагнитных процессов исследуемых устройств использован метод имитационного моделирования на ЭВМ. Математические модели тиристорных переключающих устройств как силовых, так и преобразовательных трансформаторов разработаны на основе структурного моделирования схем замещения. Данный подход эффективно использует достоинства пакета прикладных программ Matlab и системы визуального моделирования Simulink.

Научная новизна. В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

1.Ha базе метода структурного моделирования разработаны математические модели однофазных и трехфазных трансформаторов, регулируемых тиристорными переключающими устройствами, а также преобразовательных агрегатов повышенной фазности электролизных установок, учитывающие нелинейные свойства магнитной цепи и полупроводниковых элементов. Эти модели являются основой для анализа коммутационных процессов и нестационарных режимов работы.

2. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для расчета электромагнитных процессов тиристорных переключающих устройств силовых и преобразовательных трансформаторов. Программы зарегистрированы Роспатентом.

3. Методом компьютерного моделирования на основе разработанных структурных моделей исследованы коммутационные процессы в однофазных и трехфазных Т11У при дискретном и импульсно-фазовом способах регулирования, в преобразовательных агрегатах повышенной фазности электролизных установок. При импульсно-фазовом управлении выполнен анализ гармонического состава регулируемого напряжения и зависимостей коэффициента мощности от угла регулирования и фазового угла нагрузки. Установлены основные закономерности протекания коммутационных процессов исследуемых устройств: длительности коммутации, токовые перегрузки тиристорных ключей, критические углы коммутации, границы зоны устойчивых коммутационных процессов.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для расчета коммутационных процессов однофазных и трехфазных трансформаторов, регулируемых тиристорными переключающими устройствами при дискретном и импульсно-фазовом регулировании.

2. Разработаны алгоритмы и программное «обеспечение для расчета коммутационных процессов в преобразовательных агрегатах повышенной фазности электролизных установок с тиристорными переключающими устройствами при дискретном регулировании.

3. Предложено новое схемотехническое решение преобразовательного агрегата электролизной установки с вольтодобавочными трансформаторами, регулируемыми тиристорными переключающими устройствами. Предложенное устройство обладает лучшими энергетическими и массогабаритными показателями по сравнению с серийными образцами выпрямительных агрегатов. Полезная модель зарегистрирована Роспатентом.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы, оформленные в виде рабочих «программ и структурных моделей, внедрены в учебный процесс НГТУ.

Комплекс программ визуального моделирования трансформаторно-тиристорных устройств, разработанный на базе «пакета Matlab, внедрен в практику проектирования ОАО «Уралэлектротяжмаш» (г. Екатеринбург).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы" докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электроэнергетики» (г. Н. Новгород, 1999;2001г.г.), на международной конференции по автоматизированному электроприводу (г. Н. Новгород, 2001), на 7-ой Международной научно-технической конференции «студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и «энергетика» (г. Москва, МЭИ 2001), на региональном молодежном научно-техническом форуме «Будущее технической науки нижегородского региона» (г. Н. Новгород, 2002).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, получено 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ, 1 свидетельство на полезную модель. ~ ~ ~.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 104 наименований и четырех приложений. Основная часть диссертации изложена на 140 страницах, содержит 83 рисунка.

137 Выводы.

1. При использовании метода структурных схем разработаны математические модели наиболее распространенных трансформаторно-диодных структур «звезда — вентильный мост» и «треугольник — вентильный мост», учитывающих нелинейности вольтамперной характеристики полупроводниковых диодов. «.

2. Получены математические модели преобразовательных агрегатов повышенной фазности с ТПУ РПН на первичной стороне для исследования коммутационных и нестационарных процессов.

3. По результатам компьютерного моделирования получены временные диаграммы коммутационных процессов, на основании которых выполнен анализ коммутационных процессов в режиме повышения и понижения напряжения тиристорных переключающих устройств на первичной стороне РПН для шестифазных й двенадцатифазных режимов выпрямления. Определены граничные режимы устойчивых коммутационных процессов в режимах повышения напряжения. Режимы понижения при соединении сетевых и вентильных обмоток трансформатора по схемам Y/Y-0, Y/D-l 1, Y/YD имеют высокую надежность переключений и практически не зависят от искажения формы тока регулировочной обмотки.

4. Получены основные характеристики коммутационного процесса (длительность коммутации, скорость «нарастания тока отпираемого ТК) при различных значениях сопротивления токоограничивающего реактора, глубины регулирования, фазового угла и величины нагрузки. При выборе угла коммутации тиристоров 0К =160−170° коммутационные процессы устойчивы и перегрузки тиристоров по току не превышают (2−2,5) амплитудных значений номинального тока ~.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате работы получены следующие результаты:

1. Проведен анализ основных схемотехнических решений тиристорных устройств РПН трансформаторного оборудования преобразовательных агрегатов и трансформаторно — тиристорных регуляторов напряжения. Показано, что регулирование параметров электроэнергии в указанных установках выполняется с наименьшими энергозатратами и искажениями питающей сети при комбинированном управлении полупроводниковым и трансформаторным оборудованием.

2. Разработано новое преобразовательное устройство с вольтодобавочными трансформаторами, обладающее лучшими энергетическими и массогабаритными показателями по сравнению с серийными образцами выпрямительных агрегатов типа ВАКД 25 000/450. Результаты компьютерного анализа показывают, что применение вольтодобавочных трансформаторов с импульсно-фазовым регулированием позволяет повысить коэффициент мощности на (8−10)% по сравнению с дроссельным регулированием.

3. В результате изучения методов исследования преобразовательных устройств показана целесообразность применения метода структурного моделирования тиристорных переключающих устройств силовых и преобразовательных трансформаторов с использованием пакета визуального моделирования Simulink.

4. Разработаны структурные математические модели однофазных и трехфазных многообмоточных трансформаторов со схемами соединения обмоток Y/Y, Y/D и тиристорными переключающими устройствами на первичной стороне. Полученные модели позволяют исследовать статические и динамические режимы работы однофазных и трехфазных ТПУ. Особенностью разработанных моделей является учет нелинейных свойств материала магнитопровода и тиристорных ключей.

5. На основе разработанных моделей выполнен анализ коммутационных процессов:

— в однофазных тиристорных переключающих устройствах при дискретном и импульсно-фазовом способе регулирования;

— в трехфазных ТПУ с дискретным управлением при широком диапазоне изменения величины и фазового угла нагрузки.

При импульсно-фазовом управлении проведен сопоставительный анализ поведения амплитуд высших~ гармонических регулируемого напряжения, показывающий их возрастание при увеличении фазового угла нагрузки. Установлена зависимость коэффициента мощности от угла регулирования и фазового угла нагрузки.

Определены основные показатели коммутационного процесса ТПУ с дискретным управлением: длительность коммутации, зоны устойчивой работы, скорость нарастания тока отпираемого ТК при широком диапазоне изменения углов коммутации, параметров нагрузкиг и коммутирующего контура. Установлено, что в режиме повышения напряжения при активно-индуктивной нагрузке с увеличением срн сокращается зона устойчивой коммутации. Минимальная длительность коммутации имеет место при активной нагрузке и не превышает 5 градусов. Режим понижения напряжения характеризуется значительно большей длительностью, при этом срывы коммутаций имеют место только при активно-емкостной нагрузке.

6. Разработаны структурные математические модели преобразовательных трансформаторов с тирйсторными переключающими устройствами в комплексе с многофазными мостовыми выпрямительными блоками.

7.Проведен компьютерный анализ коммутационных процессов в тиристорных устройствах РПН преобразовательных трансформаторов, питающих мостовые выпрямительные блоки при дискретном способе регулирования. Сделаны выводы о влиянии схем соединения вторичных обмоток преобразовательного трансформатора на коммутационные процессы.

Определены основные показатели коммутационного процесса: длительность коммутации, зоны устойчивой работы, скорость нарастания тока отпираемого ТК при широком диапазоне изменения углов коммутации, параметров нагрузки и коммутирующего контура.

8.Представлены технико-экономические рекомендации по модернизации выпрямительного агрегата ВАКД-25 000/450.