Аннотация
Постановка задачи (актуальность работы): авторами статьи были проведены экспериментальные исследования гармонического состава тока дуговых сталеплавильных печей разной мощности и класса, функционирующих на различных металлургических предприятиях России. Цель работы: провести комплексный анализ изменения высших гармоник тока электросталеплавильных агрегатов, выявить закономерности изменения отдельных гармонических составляющих, а также определить средние и максимальные уровни гармоник для дуговых печей каждого типа. Используемые методы: исследования проводились на основании массивов мгновенных значений токов, записанных с помощью быстродействующих многоканальных регистраторов электрических сигналов. Обработка данных осуществлялась в математическом пакете Matlab с приложением Simulink, где с помощью методов спектрального анализа и разработанных алгоритмов обработки сигналов выполнялся расчет основных коэффициентов гармонических составляющих тока электродуговых установок. Результат: по результатам исследований отмечены особенности влияния технологических факторов и параметров силового электрооборудования дуговых печей на уровни гармонических составляющих на различных стадиях плавки. Сделан вывод о необходимости учета максимальных уровней значимых гармоник при выборе параметров фильтрокомпенсирующих цепей статических компенсаторов реактивной мощности. Проведен сравнительный анализ скорости изменения суммарных действующих значений четных и нечетных гармонических составляющих, который показал важную закономерность превышения скорости ослабления четных гармоник дуговой печи над нечетными в несколько раз. На основании этого показана целесообразность использования среднеквадратического значения тока четных гармоник для целей диагностики стадий плавки в дуговой сталеплавильной печи с классическим технологическим процессом. Новизна: результаты исследования являются новыми, т.к. впервые проведен комплексный анализ характера измерения высших гармоник тока для электродуговых установок широкого класса, включающий помимо дуговых сталеплавильных печей с традиционной технологией плавления шихты и классических установок ковш-печь также печи с непрерывной конвейерной подачей лома и шахтные печи с предварительным подогревом шихтового материала с помощью отходящих газов. Практическая значимость: полученные результаты исследований имеют большую теоретическую значимость для электротехники дуговых сталеплавильных печи и могут найти практическое применение при расчете параметров устройств компенсации реактивной мощности, функционирующих в системах электроснабжения электросталеплавильных комплексов. Выявленные закономерности могут быть использованы при решении задач диагностики технологических стадий плавки и создании усовершенствованных систем автоматического управления электрическими режимами дуговых сталеплавильных печей.
Ключевые слова
Дуговая сталеплавильная печь, установка ковш-печь, гармонический состав токов, качество электроэнергии, статический тиристорный компенсатор, компенсация реактивной мощности, фильтрация высших гармоник, система автоматического управления перемещением электродов, диагностика стадий плавки для дуговой печи.
1. Николаев А.А. Повышение эффективности работы дуговых сталеплавильных печей и установок ковш-печь за счет применения усовершенствованных алгоритмов управления электрическими режимами: монография. Магнитогорск. Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2015. 161 с.
2. Николаев А.А., Корнилов Г.П., Якимов И.А. Исследование режимов работы дуговых сталеплавильных печей в комплексе со статическими тиристорными компенсаторами реактивной мощности. Ч. 1 // Электрометаллургия. 2014. №5. С. 15–22.
3. Анализ различных вариантов построения систем автоматического управления перемещением электродов дуговых сталеплавильных печей / Николаев А.А., Корнилов Г.П., Тулупов П.Г., Повелица Е.В. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. №2. С. 90–100.
4. Electrical Optimization of Superpowerful Arc Furnaces / Nikolaev A.A. Kornilov G.P., Anufriev A.V., Pekhterev S.V., Povelitsa E.V. // Steel in Translation. 2014. Vol. 44, no. 4, pp. 289–2297. doi:10.3103/S0967091214040135
5. Особенности моделирования дуговой сталеплавильной печи как электротехнического комплекса / Корнилов Г.П., Николаев А.А., Храмшин Т.Р., Вахитов Т.Ю., Якимов И.А. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. №1. С. 76–82.
6. Application of Static Var Compensator of Ultra-High Power Electric Arc Furnace for Voltage Drops Compensation in Factory power Supply System of Metallurgical Enterprise / Nikolaev A.A., Kornilov G.P., Khramshin T.R., Akay I., Gok Y. // Proceedings of Electrical Power and Energy Conference (EPEC), Calgary. Canada. IEEE. 2014, pp. 235–41. doi:10.1109/EPEC.2014.18
7. Новосёлов Н.А. Совершенствование методик расчета показателей качества электроэнергии в системах электроснабжения с дуговыми сталеплавильными печами малой мощности: дис. … канд. техн. наук. Магнитогорск, 2012. 166 с.
8. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 2004. 358 с.
9. Harmonic Analysis of the Industrial Power System with an AC Electric Arc Furnace / Chang G.W., Liu Y.J., Huang H.M., Chu S.Y. // Proceedings of IEEE Power Engineering Society General Meeting. 2016. Montreal. Canada. IEEE, pp. 1–4. doi:10.1109/PES.2006.1709471
10. Ye Xiao-Mei, Liu Xiao-He. The Harmonic Detection based on Wavelet Transform and FFT for Electric Arc Furnaces // Proceedings of International Conference on Wavelet Analysis and Pattern Recognition. Baoding. China. IEEE. 2009, pp. 408–412. doi:10.1109/ICWAPR.2009.5207486
11. Simulation Research of Harmonics in Electric System of Arc Furnace / Yongning Wang, Heming Li, Boqiang Xu, Liling Sun // Proceedings of Power System Technology International Conference. IEEE. 2004, vol. 1, pp. 902–906. doi:10.1109/ICPST.2004.1460122
12. Investigation and Mitigation of Harmonics from Electric Arc Furnaces / Ahmed E.E., Abdel-Aziz M., El-Zahab E., Xu W. // Proceedings of Electrical and Computer Engineering Conference. Edmonton. Canada. 1999, vol. 2, pp. 1126–1131. doi:10.1109/CCECE.1999.808213
13. Xiuche L., Guang Y., Wei S. Harmonic Current Detection of Electric Arc Furnace System Based on the Method of Eliminating Zero-sequence Component // Proceedings of Intelligent Computation Technology and Automation International Conference (ICICTA). Shenzhen. Guangdong. IEEE. 2011, pp. 431–433. doi:10.1109/ICICTA.2011.120
14. Xiuche Lu, Xiuqi Li. The Applications of Wavelet Multi-Resolution Algorithm in Harmonic Current Detection of Electric Arc Furnace Short Net // Proceedings of E-Product E-Service and E-Entertainment International conference (ICEEE). Henan. China. IEEE. 2010, pp. 1–5. doi:10.1109/ICEEE.2010.5661007
15. Uz-Logoglu Eda, Salor Ozgul, Ermis Muammer. Online Characterization of Interharmonics and Harmonics of AC Electric Arc Furnaces by Multiple Synchronous Reference Frame Analysis // IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. 52. Iss. 3, pp. 2673–2683. doi:10.1109/TIA.2016.2524455
16. Nikolaev A.A., Tulupov P.G., Anufriev A.V. Assessing the Feasibility of Electrical Mode Control of Ultra-High Power Arc Steelmaking Furnace Based on Data about Harmonic Composition of Arc Currents and Voltages // Proceedings of Research and Education in Mechatronics (REM) 16th International Conference. Bochum. Germany. IEEE. 2015, pp. 301–308. doi:10.1109/REM.2015.7380411
17. Пат. 2150643 Российская Федерация, МПК F7B3/28 C22B9/20. Способ определения стадий плавления шихты в дуговой сталеплавильной печи / Евсеева Н.В., Яськин В.Н., Токовой О.К., Волкодаев А.Н., Лившиц Д.А., Фрейнд Е.А., Чекунов Г.М., Кочкин В.Н., Зиновьев В.Ю., Речкалов А.В., Фролов В.Г.; заявитель и патентообладатель: ОАО «Челябинский металлургический комбинат «МЕЧЕЛ». № 99118661/02; заявл. 26.08.1999, опубл. 10.06.2000.
18. Пат. 2079982 Российская Федерация, МПК H05B7/148 F27D19/00. Устройство для управления электрическим режимом дуговой электропечи / Архипов В.М., Чернов В.А., Шурыгин М.К., Кирпиченков В.П., Исайкин А.Н., Савченко Н.А., Красс М.А., Дрогин В.И., Курлыкин В.Н., Татаров А.П., Ясиненко А.А.; заявитель и патентообладатель: АОО «Красный Октябрь»; заявл. 18.07.1995, опубл. 20.05.1997.
19. Свенчанский А.Д. Электрические промышленные печи. 2-е изд., перераб. и доп. М. Энергоиздат, 1981. 296 с.
20. Bowman B., Krüger K. Arc Furnace Physics. Verlag Stahleisen GmbH, Düsseldorf, 2009.
21. Design, Implementation, and Operation of a New C-Type 2nd Harmonic Filter for Electric Arc and Ladle Furnaces / Cem Özgür Gerçek, Muammer Ermis, Arif Ertas , Kemal Nadir Kose // IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. 47. Iss. 4, pp. 1545–1557. doi:10.1109/TIA.2011.2155020
22. Обоснование выбора мощности фильтрокомпенсирующего устройства дуговой сталеплавильной печи / Николаев А.А., Корнилов Г.П., Урманова Ф.Ф., Зайцев А.С., Скакун С.В. // Главный энергетик. 2015. №8. С. 49–56.
23. Фильтрокомпенсирующие цепи статических тиристорных компенсаторов / Ольшванг М.В., Рычков Е.В., Ананиашвили К.Е., Чуприков В.С. // Электричество. 1990. №1. С. 23–29.