Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи. – Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2005.
Дисертацію присвячено вирішенню науково-технічної проблеми оптимізації режимів електросталеплавлення в дугових сталеплавильних печах трифазного струму, направленої на підвищення електроенергетичної та електротехнологічної ефективності процесу сталеплавлення та забезпечення електромагнітної сумісності режимів печі та електромережі. Розроблено ієрархічну структуру координатно-параметричного керування та багатоконтурні локальні підсистеми швидкодійного регулювання режимних координат електротехнологічного комплексу. Створено нові та розвинуто існуючі методики синтезу оптимального керування режимами на основі узагальненого функціонала мети керування, що комплексно враховує багатофакторність часткових критеріїв оптимальності режимів дугової печі та електромережі, а також розроблено математичні і цифрові моделі повної системи живлення та багатоконтурних систем регулювання режимних координат комплексу і універсальні аналітичні методики для дослідження ефективності розроблених в дисертації рішень. Результати комп’ютерного симулювання режимів та експериментальних досліджень на діючих печах показали, що за їх використання отримується одночасне підвищення продуктивності печі і зниження питомих витрат електроенергії, а також досягається значне підвищення динамічної точності стабілізації струмів та потужності дуг, реактивної потужності печі, знижується доза флікеру напруги електромережі і поліпшуються інші показники комплексу.
У дисертаційній роботі на основі системного підходу вирішено науково-прикладну проблему комплексного підвищення ефективності електросталеплавлення в дугових сталеплавильних печах, що включає розв’язання задач створення ефективних систем живлення ДСП, принципів побудови та функціонування ієрархічних систем керування та багатоконтурних систем швикодійного регулювання режимних координат електросталеплавлення, методології багатокритеріального багатопараметричного синтезу оптимального керування. Основні результати досліджень та рекомендації щодо
їх практичного використання можна узагальнити наступними положеннями:
Проведено аналіз сучасних тенденцій розвитку технологій плавлення сталі в ДСП, концепцій проектування та модернізації силового електрообладнання, функціональних можливостей існуючих САК та САР координат ЕР ДСП та впливу їх роботи на режими та показники якості напруги ЕПМ. Показано, що комплексного суттєвого підвищення ефективності процесу електросталеплавлення в ДСП трифазного струму можна досягнути шляхом розроблення на основі системного підходу нових високоефективних систем живлення та ієрархічних структур стохастичних інтелектуальних систем оптимального керування режимами електросталеплавлення на основі узагальнених функціоналів якості з адаптацією до поточних умов функціонування електротехнологічного комплексу ДСП-ЕПМ та вимог до техніко-економічних показників його роботи.
Розроблено ефективну структуру системи живлення ДСП та ієрархічну багатофункціональну структуру координатно-параметричної системи керування і багатоконтурного швидкодійного регулювання режимних координат сталеплавлення з оптимізацією режимів на засадах багатокритеріального багатопараметричного керування.
Отримано універсальну методику розрахунку характеристик та оцінки багатокритеріальної ефективності багатоконтурних САК електричного режиму, що враховує функціональні можливості системи з формування бажаних електричних та робочих характеристик ДСП і адаптації їх залежностей до оперативних умов роботи комплексу ДСП-ЕПМ та поставлених вимог до значень його техніко-економічних показників.
Обґрунтовано доцільність та розроблено теоретичні основи використання прин-
ципу декомпозиції для створеної складної багатовимірної ієрархічної структури САК режимами комплексу ДСП-ЕПМ, що дало змогу шляхом розчленування простору керуючих впливів системи на ряд підпросторів керування локальними підсистемами проводити оптимізацію режимів на кожному рівні ієрархії окремо. Запропоновано множину часткових критеріїв оптимальності та обґрунтовано складові загальносистемного вектора керування багатоконтурної ієрархічної САК режимами ЕТК ДСП-ЕПМ.
Розвинуто наукові положення синтезу узагальненого функціоналу мети керування режимами ЕТК ДСП-ЕПМ на основі лінійно-комбінаційних моделей за критеріями електроенергетичної та електротехнологічної ефективності і електромагнітної сумісності.
Запропоновано математичні моделі синтезу оптимального керування режимами електроспоживання та електроперетворення за наявності апріорної інформації про важливість часткових критеріїв оптимальності та теоретичні засади використання експертного керування цими режимами комплексу на різних етапах та за різних зовнішніх умов процесу електросталеплавлення в ДСП. Підтверджений економічний ефект від впровадження отриманих моделей синтезу оптимального керування режимами наведення та спінювання шлаку на печах ДСП-100И6 Молдавського металургійного заводу (м.Рибниця, Молдова) та печі ДСП-25Н2 №6 ЕСПЦ-4 заводу “Красный Октябрь” (м.Волгоград, Росія) у 1989 році склав 247509 руб.
Обґрунтовано доцільність опису електромагнітних процесів у силовому колі комплексу ДСП-ЕПМ у вузлових координатах та розроблено принципи побудови математичних та цифрових моделей повної системи живлення та багатоконтурної системи регулювання режимних координат на рівні миттєвих та усереднених значень. На їх основі розроблено ефективні машинні моделі, що адаптовані до вирішування задач параметричного синтезу системи керування при реалізації багатокритеріальної багатопараметричної оптимізації режимів комплексу ДСП-ЕПМ. Синтезовані на основі цих моделей задаючі впливи реалізовані у директивному графіку оптимального керування електротехнологічними режимами дугової печі ДСП-50 ВАТ Електрометалургійний завод “Дніпроспецсталь” (м. Запоріжжя), що дало змогу на 2.5-3.5% підвищити середню потужність дуг і на 2-3% поліпшити коефіцієнт потужності навантаження. Розроблені математичні моделей використовуються у навчальному процесі.
Розроблено системотехнічні та алгоритмічні рішення для усунення чи значного послаблення дії перехресних зв’язків між фазними каналами локальних підсистем, що дало змогу реалізувати автономні пофазні процеси регулювання режимних координат у процесі електросталеплавлення. Ефективність використання для цього в підсистемі регулювання положення електродів компенсатора перехресних зв’язків та закону формування сигналу керування за законом відхилення напруг на дугах від заданого значення підтверджена результатами комп’ютерного симулювання режимів та експериментальних досліджень на печах №1 та №2 типу ДСП-3 ВАТ “Нововолинський ливарний завод” і печі №1 типу ДСП-3 Бориславського експериментального ливарно-механічного заводу: у середньому за плавку дисперсія струмів дуг зменшилася на 5-8%; споживання реактивної потужності знизилося на 6-8%, а коефіцієнт несиметрії навантаження зменшився на 6-9%, що досягнуто при менших на 3-5% питомих витратах електроенергії і більшій на 4-5% продуктивності дугової печі.
Створено схемотехнічні рішення та методику параметричного синтезу оптимальної адаптивної підсистеми швидкодійного регулювання певної режимної координати печі: струмів дуг, потужностей дуг, реактивної потужності печі, що ґрунтуються на принципах нечіткого керування. За їх використання отримуються інваріантні до змін стохастичних характеристик збурень у силовому колі печі оптимальні динамічні режими регулювання вибраної режимної координати процесу електросталеплавлення.
Обґрунтовано технологічну необхідність використання і запропоновано схемотехнічні та алгоритмічні рішення для оптимізації режимів електроперетворення у плавильному просторі печі за критерієм мінімуму динамічної та статичної похибки регулювання потужності дуг. За їх використання більш як на порядок зменшується дисперсія потужності дуг з одночасним підвищенням динамічної точності регулювання інших режимних координат. Запропоновано керувати режимами плавлення на періодах окислення та рафінування лише зміною сигналу завдання потужності дуг та уставки за напругою дуги підсистеми регулювання положення електродів при збільшеній на 5-15% напрузі робочої ступені ПТ без перемикання його ступеней, що підвищує надійність електропостачання та зменшує тривалість плавки на час комутаційних операцій.
Розроблено структуру дворівневої САК режимом споживання реактивної потуж-
ності електротехнологічного комплексу ДСП-ЕПМ, на нижньому рівні якої використовується локальна швидкодійна підсистема оптимального регулювання реактивної потужності. Запропоновано методику синтезу оптимального керування цієї локальної підсистеми за критерієм мінімуму дисперсії напруги електромережі. За їх використання досягається зменшення дисперсії напруги електромережі у 5-6 разів з одночасним зменшенням дисперсії струмів дуг у 8-10 разів, а дисперсії реактивної потужності печі - у 4.5-5.5 разів. Такі рішення включені у “Рекомендації щодо модернізації статичних тиристорних компенсаторів реактивної потужності на підстанціях 35кВ “Львівобленерго”.
Запропоновано моделі синтезу оптимального керування режимом сталеплавлення за критерієм максимальної ефективності використання електричної енергії. За такого керування у структурі двоконтурної САК ЕР комплексу ДСП-ЕПМ зі швидкодійною ПСРСД досягається зменшення потужності електричних втрат у колі живлення дуг на 15-20% та питомих витрат електроенергії – на 5-10% з одночасним зменшенням дисперсії струмів дуг у 1.5-2.0 рази та дисперсії напруги електромережі на 20-30%.
Розроблено теоретичні засади та схемотехнічні рішення оптимального керування режимом електроспоживання за критерієм мінімуму коефіцієнта несиметрії навантаження ДСП, за якого досягається зменшення цього коефіцієнта у 3-5 разів з одночасним зниженням дисперсії напруги мережі у 2.5-3.5 разів і зменшенням її несиметрії.
Розвинуто теоретичні основи і розроблено схемотехнічні та алгоритмічні рішення для реалізації багатокритеріальної оптимізації режимів комплексу ДСП-ЕПМ на основі принципу зонного керування, за якого розширюються функціональні можливості САК з реалізації адаптивного оптимального керування і в результаті цього за інших рівних умов підвищується ефективність Парето-оптимальних рішень. Показано, що при реалізації у зонах коротких і середніх дуг законів керування з режимами з та відповідно, досягається одночасне зменшення дисперсії напруги мережі на 15-25%, струмів дуг на 20-30% та потужностей дуг на 20-35%, що отримується за однакової середньої потужності дуг у порівнянні з реалізацією у зоні коротких та середніх дуг одного закону керування з режимами .
Створено універсальну аналітичну методику гармонічного аналізу струму шунтового реактора СТК при його регулюванні з використанням послідовної тиристорної групи та паралельних тиристорно-реакторних груп.
Розроблено схемотехнічні та алгоритмічні рішення для схеми реакторної частини СТК на основі використання паралельних ТРГ та створено моделі синтезу оптимального керування струмом ШР СТК. За їх використання рівень генерованих в мережу вищих гармонік струму зменшується у 2-5 разів. Ці рішення рекомендовані до практичного впровадження при проектуванні нових і модернізації існуючих СТК типу ТКРН для мереж 35 кВ на ВАТ НДІ “Перетворювач” (м.Запоріжжя).
Показано, що використання дворівневої структури САК режимом споживання реактивної потужності ЕТК ДСП-50-ЕПМ у порівнянні з типовою одноконтурною САР потужності дуг типу АРДГ дає змогу суттєво поліпшити показники якості електроенергії та техніко-економічні показники комплексу: доза флікеру зменшується у 5-6 разів; коефіцієнт спотворення синусоїдності струму мережі знижується на 14%; дисперсія струмів дуг зменшується у 30-40 разів; на 14% зростає коефіцієнт потужності навантаження; на 11-13% зменшуються втрати електроенергії в мережі, що досягається при більшій на 4-5% середній потужності дуг печі і на 1.4-1.6% меншому усталеному відхиленні напруги електромережі від номінального значення.
Публікації автора:
Ситуаційне керування в дугових сталеплавильних печах: Монографія / Л.Д. Костинюк, А.О. Лозинський, О.Ю. Лозинський, А.В. Маляр, Я.Ю. Марущак, Я.С. Паранчук, В.Я. Перевознюк, Я.Б. Сметанюк; За ред. О.Ю. Лозинського, Я.Ю. Марущака. – Львів: Видавництво НУ “Львівська політехніка”, 2004. – 382 с.
Паранчук Я.С. Дослідження дворівневої системи компенсації реактивної потужності в мережах з дуговими сталеплавильними печами // Технічна електродинаміка. “Силова електроніка та енергоефективність”. - Ч.2. - 2004. - С.73-78.
Лозинський О.Ю., Паранчук Я.С. Оптимізація режиму компенсації реактивної потужності об’єктів з динамічним несиметричним навантаженням // Технічна електродинаміка. - 2004. - № 2. - С.42-49.
Паранчук Я.С. Швидкодійний давач усередненого значення // Вісник Східноукраїнського національного університету ім.В.Даля. - 2004. - №2(72). -С.137-141.
Паранчук Я.С.Векторна оптимізація режимів комплексу ДСП-ЕПМ на основі методу виділення головного критерію // Сб. науч. трудов СевНТУ “Оптимизация производственных процессов”. - 2004. - Вып.№7. - С.78-89.
Паранчук Я.С. Моделювання характеристик та процесів дуг дугової сталеплавильної печі // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Електроенергетичні та електромеханічні системи”. 2003.- № 487. - С.108-116.
Паранчук Я.С. Теоретичні засади синтезу оптимального керування режимом електроспоживання дугової сталеплавильної печі за декількома критеріями // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2003. - №6. - С.52-59.
Лозинський О.Ю., Паранчук Я.С., Лозинський А.О., Марущак Я.Ю. Математична модель системи живлення та регулювання режимів електротехнологічного комплексу ДСП-ЕПМ // Науковий вісник Національного гірничого університету “Енергетика та автоматика”. - 2004. – №3. - С.8-15.
Лозинський О.Ю., Паранчук Я.С. Дослідження режимів шунтового реактора СТК реактивної потужності гірничих об’єктів з динамічним навантаженням // Зб. наук. праць Національного гірничого університету. - Дніпропетровськ: РИК НГУ, 2003. - №17. - Том 2. - С.97-103.
Паранчук Я.С. Стабілізація процесу електроперетворення у плавильному просторі дугової сталеплавильної печі // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Електроенергетичні та електромеханічні системи’. - 2003. - №479. - С.141-150.
Паранчук Я.С. Використання експертних оцінок при багатокритеріальній оптимізації режимів дугової сталеплавильної печі // Вісник НТУ “ХПІ”. Зб. наук. праць “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика". - Харків: НТУ ”ХПІ”, 2003. - №10. - Т.2. - С.490-492.
Паранчук Я.С. Дослідження електричної ефективності двоконтурної системи керування режимами дугової сталеплавильної печі // Респ. наук.-техн. журнал “Електромашинобудування та електрообладнання”. - Київ: Техніка, 2003. - Випуск. №61. - С.17-24.
Паранчук Я.С. Оптимізація режиму споживання реактивної потужності дугової сталепла-
Паранчук Я.С. До питання векторної оптимізації електричного режиму електротехнологічного комплексу “дугова сталеплавильна піч – електропостачальна мережа” // Вісник Технологічного університету Поділля. - Хмельницький: ТУП, 2003. - Т.1(51). - №3. - С.45-47.
Паранчук Я.С. Математична модель багатокритеріальної оптимізації електричного режиму дугової сталеплавильної печі на основі мінімаксного методу // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - Кременчук: КДПУ, 2003. – Випуск 2(19). - Т.2. - С.262-264.
Паранчук Я.С. Оптимізація двоконтурної системи керування електричним режимом дугової сталеплавильної печі за критерієм мінімуму питомих витрат електроенергії // Український міжвід. наук.-техн. збірник “Автоматизація виробничих процесів в машинобудуванні та приладобудуванні”. – 2003. - Випуск №37. - С.15-20.
Паранчук Я.С. Дослідження коефіцієнта асиметрії навантаження двоконтурної САР електричного режиму дугової сталеплавильної печі // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка, автоматизація. – Донецьк: ДНТУ, 2002. – Вип. 48. - С.101-110.
Лозинський О.Ю., Паранчук Я.С. Структура системи керування дугової сталеплавильної печі для реалізації багатокритеріальної оптимізації режимів // Вісник НТУ “ХПІ” “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика”. – 2002. - Вип.12. - Том 1. - С.181-183.
Паранчук Я.С. Дослідження законів регулювання довжини дуги у двоконтурній системі керування режимами дугової сталеплавильної печі // Вісник Технологічного університету Поділля. Хмельницький: ТУП, 2002. - Т.1(44). - №3. - С.173-177.
Лозинський О.Ю., Паранчук Я.С. Моделювання та дослідження режимів магнітно-тиристорного перетворювача напруги // Технічна електродинаміка. “Проблемы современной электротехники”. - 2002. - Ч.6. - С.41-44.
Лозинський О.Ю., Паранчук Я.С. Методологія побудови та характеристики комплексу “дугова сталеплавильна піч – електропостачальна мережа” // Энергетика и электрификация. - 2002. - №10 (231). - С.35-42.
Паранчук Я.С. Стабілізація режимних координат дугової сталеплавильної печі з використанням зонного керування // Вісник НТУ “ХПI” “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика”. - 2001. - №10. - С.254-256.
Лозинський О.Ю., Паранчук Я.С., Марущак Я.Ю., Уханська Д.В. Стабілізація потужності дуг в електродугових печах за допомогою гіперболічного закону керування струмом дуги // Научные труды Кременчугского ГПУ. - 2001. – Випуск 1/2001 (10). - С.193-197.
Лозинський А.О., Паранчук Я.С., Гайдучок Ю.Р. Розрахунок оптимальних уставок регулятора потужності ДСП методом генетичного алгоритму // Труды Одесского политехнического университета / Научный и произв.-практ. сборник. – 2001. - Вып. 4 (16). - С.67-69.
Паранчук Я.С., Лозинський А.О., Щербовських С.В. Багатофункціональна система керування
режимами електротехнологічного комплексу “дугова сталеплавильна піч - електропостачальна мережа” // Труды Одесского политехнического университета / Научный и произв.-практ. сборник. – 2001. - Вып. 3 (15). - С.70-73.
Лозинський О.Ю., Паранчук Я.С., Костинюк .Л.Д. Адаптивна оптимізація режимів ДСП шляхом переналагодження робочих характеристик // Вісник ХДПУ “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”. - 2000. - Випуск 113. - С.153-156.
Лозинський О.Ю., Паранчук Я.С. Адаптивна стохастична система регулювання струмів дуг дугової сталеплавильної печі // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Електроенергетичні та електромеханічні системи”. - 2000. - №400. - С.92-99.
Паранчук Я.С. Моделювання та дослідження режимів електричної системи регулювання струмів дуг дугової сталеплавильної печі // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Електроенергетичні та електромеханічні системи”. - 2000. - №403. - С. 126-133.
Паранчук Я.С. Синтез контуру регулювання струму дуги з мінімальною середньою квадратичною похибкою // Вісник ХДПУ ”Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”. - 1999. - С.243-246.
Паранчук Я.С., Лозинський А.О. Стохастична математична модель дуг дугової сталеплавильної печі // Вестник ХГПУ “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”. - 1998. - С.189.
Лозинский О.Ю., Паранчук Я.С. Оптимизация режимов системы управления процессом электросталеплавления в дуговых сталеплавильных печах // Электротехника. - 2004. - №6. - С.50-54.
Андрианова А.Я., Паранчук Я.С., Лозинский А.О. Некоторые вопросы использования интеллектного управления в дуговых сталеплавильных печах // Электрометаллургия. - 2004. - №3. - С.30-37.
Паранчук Я.С., Лозинський А.О. Оптимізація системи регулювання струмів дуг ДСП на основі принципів нечіткої логіки // Матеріали 7-ої Міжнародної конференції з управління “Автоматика-2000”. - Львів, 2000. - С.67-72.
Паранчук Я.С., Лізанець В.В. Електропривод за схемою магнітно-тиристорний перетворювач напруги – асинхронний двигун // Вісник НТУ “ХПІ”. Збірник наукових праць “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика". - Харків: НТУ ”ХПІ”, 2005. - №45. - С.293-294.
Y.Varetsky, O.Lozynsky, Y.Paranchuk. A new design of SVC thyristor controlled reactor // Proceedings of the International Conference EPQU’03: “Electrical Power Quality and Utilization”. - Krakow, Poland. - 2003. - P.353-360.
Паранчук Я.С., Паранчук Р.Я., Мусихіна Н.П., Олексюк В.А. Магнітно-тиристорне джерело живлення зварювальної дуги // Академічний вісник Криворізького територіального відділення Міжнародної Академії комп’ютерних наук і систем. - № 13. – 2004. – С. 113.
Патент № 67201 А. Україна. Пристрій для регулювання електричного режиму дугової трифазної печі / О.Ю. Лозинський, Я.С. Паранчук, В.А. Олексюк. - Опубл. 15.06.2004. – Бюл. №6.
Патент №2238616. Россия. Устройство для регулирования электрического режима дуговой многофазной электропечи / О.Ю. Лозинский, А.О. Лозинский, Я.С. Паранчук, Р.Я. Паранчук. - Опубл. 20.10.2004. - Бюл. №29.
Патент №2239295. Россия. Устройство для регулирования мощности трехфазной дуговой электропечи / О.Ю. Лозинский, А.О. Лозинский, Я.Ю.Марущак, Р.Я. Паранчук, Я.С. Паранчук. – Опубл. 27.10.2004. - Бюл. №30.
Патент №52813. Україна. Статичне регульоване джерело реактивної потужності для трифазних мереж/ О.Ю.Лозинський А.О.Лозинський, Я.С.Паранчук, Р.Я.Паранчук.- Опубл 15.01.03.- Бюл. №1.
Патент №40301 А. Україна. Статичний тиристорний компенсатор реактивної потужності для трифазних мереж / О.Ю. Лозинський, А.О. Лозинський, Я.С. Паранчук, Р.Я. Паранчук. - Опубл. 16.07.2001. - Бюл. №6.
