Повышение надежности полупроводниковых преобразователей и электроприводов объектов кислородно-конверторного производства

В современной металлургии существенно возросла за последние десятилетия значимость кислородно-конверторного производства. Так, по данным [1], количество выплавляемой стали в кислородных конверторах возросло с 431 до 811 млн т в год с 1996 по 2006 г., что составило 65,5 % от суммарного мирового объема металла [2]. В частности, на Южном Урале конверторное производство широко представлено на крупных промышленных предприятиях: Челябинском металлургическом комбинате, Магнитогорском металлургическом комбинате.

При конверторном способе производства стали происходит сильное пылеобразование, обусловленное обильным окислением и испарением железа. Это требует обязательного сооружения при конвертерах сложных и дорогих пылеочистительных установок [3]. Таким образом, роль эксгаустеров и дымососов в конвертерном производстве крайне высока.

Основным требованием, предъявляемым к механизму промышленного дымососа, является надежность. Повышение надежности работы газоочистительной системы способствует увеличению количества годного металла, уменьшению брака и улучшению качества получаемой стали. Существуют технологические механизмы (эксгаустеры кислородных конверторов, печей и т. д.), в которых остановка работы промышленного дымососа приводит к тяжелым последствиям, вплоть до остановки плавки и слива металла из котла конвертора.

По данным опроса специалистов ОАО «ЧМК», отказы эксгаустера на кислородном конверторе случаются с частотой 2 раза в месяц. Причинами остановок в настроенной системе электропривода служат отключение преобразователя частоты по максимальнотоковой защите, а также отказы в системе возбуждения синхронного двигателя.

Анализ режимов работы электропривода эксгаустера показал, что установленная мощность силового электрооборудования превышает расчетную по условиям обеспечения технологического процесса не более чем на 10 %. В этом случае, как показано в [4], вероятность безотказной работы ( W ) составляет не более 90 %. Для сравнения: тот же показатель для объектов атомных станций составляет 99,9 %. В [4] авторы обращают внимание, что для снижения отказов в 3 раза вероятность W необходимо увечить до 98 %.

С учетом сказанного, повышение надежностных показателей системы электропривода эксгаустера является актуальной задачей.

Существует два основных способа повышения надежности любой системы: введение избыточности системы [4]; переход к принципиально новым техническим решениям, отличающимся повышенными надежностными показателями. Для системы электропривода в первом случае необходимо выбирать его элементы с наперед заданным запасом по мощности. Во втором случае можно, например, отказаться от традиционной конфигурации схем силовых цепей, использовать m-фазные независимые источники питания на каждую фазу, не увеличивать установленную мощность полупроводникового преобразователя выше номинальной, а надежность системы обеспечить за счет использования резервного преобразователя мощностью, равной P/m, где P – суммарная установленная мощность электропривода, m – количество фаз преобразователя.

Дадим анализ возможностей первого способа. С увеличением запаса мощности элементов электропривода (электрической машины и полупроводникового преобразователя) увеличивается и вероятность безотказной работы электропривода W [4]. На рис. 1 даны расчетные зависимости относительного значения затрат на электрическую машину от величины вероятности безотказной работы электродвигателя W . За базовое значение цены принималась стоимость электродвигателя номинальной мощности, рассчитанной по условию допустимого нагрева, при этом вероятность безотказной работы электрической машины по условиям проектирования равна 0,9 [5]. В электроприводах металлургических объектов необходимая надежность должна быть не ниже W = 0,98 [4], что требует завышения мощности электропривода на 80 % [4]. При этом в соответствии с кривой 2 (см. рис. 1) цена электродвигателя увеличивается примерно в 1,4 раза.

Кривая 1 проходит ниже зависимости 2 (см. рис. 1), и обусловлено это тем, что в крупных электрических машинах закладывается больше активных материалов. Рассмотренные кривые (1, 2) построены для случая m = 3. При числе фаз m > 3 новые зависимости будут совпадать с соответствующими кривыми 1 и 2 (см. рис. 1).

Аналогичным образом были построены зависимости относительных затрат на полупроводниковый преобразователь от вероятности безотказной работы W (рис. 2), которые качественно совпадают с кривыми рис. 1, но при этом для обеспечения той же W = 0,98 требуется увеличить относительные затраты С . Наиболее выразительно это проявляется для электроприводов больших мощностей (см. рис. 2, кривая 2). Объясняется это тем, что в суммарной стоимости установленного электрооборудования доля затрат на полупроводниковый преобразователь является существенной [6].

Так как для обеспечения повышенной надежности работы электропривода, например, с W = 0,98, требуется неоправданное завышение затрат на полупроводниковую часть, то на этапе синтеза целесообразно рассмотреть специальные схемотехнические решения силовых цепей полупроводникового преобразователя [6] и электрической машины [7], при этом электромеханический преобразователь необходимо выбрать с заданным запасом по мощности (см. рис. 1, W = 0,98).

В наибольшей степени требованиям надежности отвечают электроприводы с новыми типами

Рис. 1. Зависимость относительных затрат С на электромеханический преобразователь от вероятности его безотказной работы W для диапазона мощностей: 1 – 0,18–1,1 кВт; 2 – 1000–2000 кВт

Рис. 2. Зависимость относительных затрат С на полупроводниковый преобразователь от вероятности его безотказной работы W для диапазона мощностей: 1 – 0,18–1,1 кВт; 2 – 1000–2000 кВт

Электромеханические системы конструкций электрических машин, например, с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения (СРМНВ) [8], отличающейся простотой конструкции статора и высокой технологичностью изготовления ротора [9]. В исходном случае схема силовых цепей выполняется многофазной с индивидуальными источниками питания [10]. Отказ от индивидуальных источников в пользу более простой схемы приводит к структуре с импульсновекторным управлением [11]. В этом случае фазные обмотки L1, L2, L3 двигателя М подключаются к питающей сети, а обмотки L4, L5, L6 – непосредственно на неуправляемый выпрямитель (рис. 3). На схеме рис. 3 количество фаз равно трем m = 3. В общем случае используется m-фазный выпрямитель. При отказе одного из плеч диодного моста в работу вводится резерв, установленная мощность которого равна P/m, где P – номинальная мощность электропривода.

Рис. 3. Пример упрощенной схемы импульсновекторного управления СРМНВ

Идея работы схемы с импульсно-векторным управлением заключается в формировании управ- ляющих импульсов на транзисторный блок в функции положения ротора СРМНВ и обобщающего вектора напряжения αC так, чтобы он открывался и пропускал ток по обмоткам статора лишь в те отрезки времени, когда взаимное положение полюсов явнополюсного ротора и магнитного поля, создаваемого токами статора, соответствовало двигательному электромагнитному моменту электрической машины.

Математическая модель электропривода состояла из двух блоков. Первый блок, который был реализован в модуле Ansys Simplorer [9], представлен в форме дифференциальных уравнений в полных производных и учитывал уравнения баланса напряжений в статорных обмотках с активным сопротивлением r , а также уравнения Лагранжа для тел, совершающих вращательное движение вокруг оси c угловой скоростью ω. Передаточная функция полупроводникового преобразователя каждой из фаз аппроксимировалась апериодическим звеном первого порядка и звеном чистого запаздывания [10], учитывающим инерционные свойства микропроцессорного блока. Каждая из фаз статорных обмоток подключалась к питающей сети при условиях, что подан управляющий сигнал на транзистор и выпрямитель допускает протекание тока конкретных фаз электрической машины [11].

Второй блок «Модель магнитной системы» [9] включал в себя уравнения в частных производных, учитывающих распределение магнитных полей в электрической машине и для решения которых использовался метод конечных элементов в вариационной постановке. Расчет дифференциальных уравнений этого блока выполнялся в модуле Ansys Maxwell . Результирующий электромагнитный момент, создаваемый двигателем, использовался при расчетах в модуле Ansys Simplorer [9].

При моделировании электропривода варьировалось количество фаз m , на которое выполнялись двигатель и полупроводниковый преобразователь. При расчете момент сопротивления на валу двигателя принимался номинальным. Установлено, что действующее значение тока снижается с увеличением m , и обусловлено это уменьшением пульсаций электромагнитного момента, а также более полным использованием статорных обмоток по току [11]. Однако увеличение количества фаз m ведет к увеличению количества вентилей и стоимости полупроводникового преобразователя.

Выбор рациональной системы электропривода состоит в сопоставлении двух схем по критерию минимума стоимости силового электрооборудования [11]. В первом случае по кривым 1 и 2 (см. рис. 1) выполняется расчет стоимости электропривода (электродвигателя и преобразователя частоты) из условия обеспечения заданной вероятности безотказной работы.

Во втором случае для сопоставления может быть выбрана схема с импульсно-векторным уп-

Рис. 4. Зависимость полезной мощности P многофазных машин в относительных единицах от количества работающих фаз m ; 1 – m работающих фаз; 2 – m –1 работающих фаз; 3 – m –2 работающих фаз;

4 – m –3 работающих фаз; 5 – m –4 работающих фаз

равлением. При расчете определяется не только стоимость оборудования, но и находится оптимальное количество фаз m электрического преобразователя и двигателя. Стоимость электрического преобразователя включает в себя затраты на основной преобразователь, который выбирается номинальной мощности, и резервный модуль мощности P / m , где P – номинальная мощность электропривода. При расчете стоимости электрической машины необходимо учитывать не только заданную вероятность безотказной работы W , но и учесть снижение полезной мощности двигателя в зависимости от выбранного количества фаз m (рис. 4).

Для электроприводов крупных мощностей (1000 кВт и выше) с непрерывным графиком нагрузки и повышенными требованиями по надежности при выборе рациональной системы ряд традиционных структур электроприводов должен быть дополнен новыми техническими решениями на базе многофазных схем силовых цепей.

Благодаря применению ИВСУ СРМНВ значительно с ( W = 0,9 до W = 0,98) возрастает надежность электрического преобразователя. Происходит это по нескольким причинам. При применении СРМНВ нет необходимости в возбуждении обмоток ротора машины, и, следовательно, можно отказаться от возбудителя как элемента системы управления, от контактных колец и щеточноколлекторного контакта. Повышенная механическая прочность ротора снижает вибрации, что положительно сказывается на работе подшипников двигателя. Наконец, наличие лишь одного IGBT -транзистора в схеме силовых цепей преобразователя повышает надежность электропривода.