по курсу «Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов» «Автоматизация технологических процессов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Кафедра электротехники и электрооборудования предприятий

Реферат

по курсу «Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов»

«Автоматизация технологических процессов на основе частотно-регулируемого асинхронного электропривода как средства ресурсо- и энергосбережения»

Выполнил:

студент группы АЭ-01-01 К.Е. Швыткин

Проверил:

кандидат технических наук, доцент В.И. Бабакин

Уфа 2005

Содержание

	Стр.
Введение	2
1. Основные пути повышения энергетической эффективности асинхрон-ных электроприводов	3
2. Энергетическая эффективность асинхронных электроприводов	6
2.1. Кинематически связанные электроприводы	-
2.2. Режимы энергосбережения в электроприводах с полупроводнико-выми преобразователями	9
2.3. Электроприводы центробежных насосов	14
2.4. Электроприводы вентиляторов и турбокомпрессоров	23
2.5. Электроприводы поршневых машин	29
2.6. Электроприводы конвейеров и транспортёров	31
2.7. Электроприводы управления дуговыми сталеплавильными печами	33
Заключение	39
Список литературы	40

Введение.

Возрастающие технологические требования к качеству производственных процессов, необходимость внедрения высоких технологий обусловливают устойчивую тенденцию внедрения в различные отрасли промышленного и сельскохозяйственного производства регулируемых электроприводов.

Развитие математической теории машин переменного тока, создание усовершенствованных силовых полупроводниковых при­боров и преобразователей на их основе, использование современ­ных средств управления, включая микропроцессорные, позволи­ли создать высококачественные и надежные системы регулиру­емых асинхронных электроприводов, которые становятся основ­ным видом регулируемого электропривода. Как указывается в [10], в 2002 г. на европейском рынке из общего числа продаваемых регу­лируемых приводов электроприводы переменного тока составили 68 %, электроприводы постоянного тока – 15 %, механические и гидравлические приводы – 17 %. Тенденция возрастания доли внедряемых регулируемых асинхронных электроприводов объек­тивно сохранится и в дальнейшем, так как массовый регулиру­емый электропривод может быть реализован только на базе асин­хронных двигателей. Это связано с тем, что в диапазоне мощно­стей до 100 кВт их производится в 40 – 50 раз больше, чем двига­телей постоянного тока.

Широкое использование регулируемых электроприводов при­вело к тому, что современный электропривод является не только энергосиловой основой, позволяющей обеспечить производствен­ные механизмы необходимой механической энергией, но и сред­ством управления технологическими процессами, так как задачи по реализации качества производственных процессов в настоящее время в большинстве случаев возлагаются на системы управления регулируемыми электроприводами в сочетании с системами техно­логической автоматики. В связи с возрастанием цен на энергоно­сители, в частности на электроэнергию, и ограниченными воз­можностями увеличения мощности энергогенерирующих устано­вок проблема энергосбережения, в том числе снижения электро­потребления, приобретает особую актуальность.

Энергосбережение стало одним из приоритетных направлений технической политики во всех развитых странах мира. Это связано, во-первых, с ограниченностью и невозобновлямостью ос­новных энергоресурсов, во-вторых, с непрерывно возрастающи­ми сложностями их добычи и стоимостью, в-третьих, с глобаль­ными экологическими проблемами, обозначившимися на рубеже тысячелетий.

Энергосбережение является наиболее дешевым и безопасным способом увеличения энергогенерирующих мощностей, так как затраты на экономию 1 кВт мощности обходятся в 4 – 5 раз де­шевле, чем стоимость вновь вводимого 1 кВт мощности.

Основные потери (до 90 %) приходятся на сферу энергопотреб­ления, в которой должны быть сконцентрированы основные уси­лия по энергосбережению электроэнергии. Так как электроприводы потребляют до 70 % вырабатываемой электроэнергии, наиболее существенная экономия электроэнергии может быть достигнута при использовании регулируемых электроприводов для управле­ния технологическими процессами, что в сочетании с возможно­стями автоматизации может обеспечить оптимальное использова­ние электроэнергии и других ресурсов.

В связи с тем что среди регулируемых электроприводов домини­рующее положение занимают частотно-регулируемые асинхронные электроприводы, их массовое применение позволяет решать не только технологические задачи, но и проблему энергосбережения.

В последние годы в России уделяется большое внимание теоре­тическим и практическим вопросам энергосбережения. Это связа­но в первую очередь с тем, что удельные затраты энергии на еди­ницу стоимости валового внутреннего продукта (ВВП) и энерге­тическая составляющая себестоимости продукции в России выше, чем в других развитых странах. Можно утверждать, что в насто­ящее время многие отечественные научные и проектные органи­зации, а также производственные предприятия, достигли опреде­ленных успехов в энергосбережении и число таких организаций и предприятий, решающих проблемы энергосбережения, постоян­но растет [1].

В данном реферате в систематизированном виде изложен ком­плекс вопросов, связанных с возможностями энергосбережения при использовании регулируемых асинхронных электроприводов, главным образом частотно-управляемых; обоснованы рациональ­ные способы применения энергосберегающего электропривода; намечены схемные решения, обеспечивающие энергосбережение при управлении различными технологическими процессами и произ­водственными механизмами; дана количественная оценка сниже­ния электропотребления и других ресурсов.

1. Основные пути повышения энергетической эффективности асинхронных электроприводов.

В настоящее время основным типом регулируемого электро­привода является частотно-регули­руемый асинхронный электропривод – система «полупроводнико­вый преобразователь частоты – асинхронный двигатель» (ППЧ – АД). Однако наряду с этим электроприводом в некоторых случаях для решения отдельных производственных задач и энергосбере­жения находит применение система «тиристорный преобразова­тель напряжения – асинхронный двигатель» (ТПН – АД), обеспе­чивающая регулирование напряжения первой гармоники напря­жения, подводимого к статору.

В эксплуатации также находятся электроприводы на основе асин­хронных двигателей с фазовым ротором, регулируемые за счет изменения добавочных сопротивлений в роторных цепях, так на­зываемые системы реостатного регулирования – «устройство реостатного регулирования – асинхронный двигатель с фазовым ротором» (УРР – АДФР). Особенно много таких электроприводов входит в состав подъемно-транспортных механизмов.

С учётом приведенных выше способов и систем управления асинхронными электроприводами можно наметить следующие направления снижения потребления энергии АД.

Первое направление связано со снижением потерь в электро­
приводе при выполнении им заданных технологических операций по
заданным тахограммам и с определенным режимом нагружения.
Это электроприводы, работающие в пускотормозных режимах (кра­ны, лифты, главные приводы слябингов и блюмингов, вспомога­тельные позиционные механизмы прокатных станов и т.д.) или длительных режимах с медленно изменяющейся нагрузкой (насо­сы, вентиляторы, компрессоры, транспортеры и т.д.). В таких элек­троприводах за счет снижения потерь электропривода в устано­вившихся и переходных режимах возможна значительная эконо­мия электроэнергии. В кинематически связанных электроприводах (рольганги, многодвигательные приводы тележек и т.д.) равно­мерное деление нагрузок между двигателями позволяет также минимизировать потери в них.

Второе направление связано с изменением технологического процесса на основе перехода к более совершенным способам ре­гулирования электропривода и параметров этого технологическо­го процесса. При этом происходит снижение потребления энергии электроприводом.
В качестве примера можно привести электропри­воды турбомеханизмов (насосов, вентиляторов, турбокомпрессо­ров), поршневых насосов и компрессоров, транспортеров, систем регулирования соотношения топливо — воздух и др. При этом, как правило, эффект не ограничивается экономией электроэнер­гии в электроприводе, во многих случаях возможна экономия ре­сурсов (воды, твердого и жидкого топлива и т.д.).

Для обоих названных направлений характерным является то, что в них снижается потребление энергии именно в электропри­воде: в первом случае за счет снижения потерь энергии, во вто­ром за счет использования менее энергозатратного со стороны электропривода управления технологическим процессом.

Можно назвать и третье направление, обеспечивающее реализа­
цию энергосберегающих технологий.
Известно, что имеется ряд тех­нологических процессов, где электропривод сравнительно неболь­шой мощности управляет потоком энергии, мощность которого в десятки и сотни раз превышает мощность электропривода. К та­ким объектам можно отнести дуговые сталеплавильные печи по­стоянного и переменного тока, вакуумные дуговые печи, рудо-восстановительные печи, установки индукционного нагрева и т.д. На них электроприводы мощностью в несколько киловатт могут управлять процессом, потребляющим десятки и даже сотни мега­ватт. Очевидно, что от совершенства электропривода, его быстро­действия и точности, степени автоматизации процесса во многом зависит эффективное использование таких значительных объемов энергии. Это направление не связано с уменьшением потока энер­гии через электропривод, чаще потребление энергии электропри­водом даже увеличивается. Тем не менее, так как это направление связано со значительной экономией электроэнергии, рассмотрим его на примере дуговой сталеплавильной печи.

Сформулируем пути энергосбережения в асинхронном элект­роприводе.

В рамках первого направления для снижения потерь энергии в асинхронном электроприводе можно использовать следующие пути.

1. Обоснованный выбор установленной мощности двигателя, соответствующей реальным потребностям управляемого механиз­ма. Эта задача связана с тем, что коэффициент загрузки многих двигателей составляет 50 % и менее, что гово­рит либо о низкой квалификации разработчиков, либо о несовер­шенстве использованной методики расчета мощности электропри­вода. Очевидно, что двигатель заниженной мощности быстро выхо­дит из строя из-за перегрева, а двигатель с большим запасом мощно­сти преобразует энергию неэффективно, т.е. с высокими удельны­ми потерями в самом двигателе из-за низкого КПД и в питающей сети из-за низкого коэффициента мощности. Поэтому первый путь заключается в совершенствовании методик выбора мощности дви­гателя и проверки его по нагреванию, а также в повышении ква­лификации разработчиков, проектировщиков и обслуживающего персонала. На практике встречаются случаи, когда вышедший из строя двигатель заменяется подходящим по высоте вала или его диаметру, а не по мощности. Существующие методики выбора мощности двигателя и проверки его по нагреванию могут рас­сматриваться лишь как первое приближение. Необходима разработ­ка более совершенных методик, основанных на точном учете режи­мов работы электропривода, изменении его энергетических показа­телей, тепловых процессов в двигателе, состояния изоляции и т.д. Разумеется, это предполагает широкое использование вычисли­тельной техники и специального программного обеспечения.

2. Переход на более экономичные двигатели, в которых за счет увеличения массы активных материалов (железа и меди), применения более совершенных материалов и технологий повышены номинальные значения КПД и коэффициента мощности. Этот путь, несмотря на высокую стоимость таких двигателей, становится очевидным, если учесть, что по данным западноевропейских экспертов, стоимость электроэнергии, потребляемой ежегодно средним двигателем, в 5 раз превосходит его стоимость. За время службы двигателя, а это десятки лет, экономия энергии значительно превысит капитальные затраты на такую модернизацию. Как уже отмечалось ранее, этот путь пока не получил должного признания в отечественной практике.

3. Переход к более совершенной с энергетической точки зрения системе электропривода. Потери энергии в переходных режимах заметно изменяются при использовании реостатного регулиро­вания, систем ТПН – АД и ППЧ – АД с минимальными потерями при применении частотно-регулируемых электроприводов. Поэтому в рамках каждой из перечисленных систем имеются более или менее удачные в энергетическом и технологическом плане вари­анты. Задачей проектировщика является грамотный и всесторонне обоснованный выбор конкретного технического решения.

4. Использование специальных технических средств, обеспечивающих минимизацию потерь энергии в электроприводе. Так как значительная часть асинхронных электроприводов работает в ус­ловиях медленно изменяющейся нагрузки (электроприводы турбомеханизмов, конвейеров и т.д.), отклонение нагрузки электро­привода от номинальной ухудшает энергетические показатели электропривода. В настоящее время к таким средствам можно от­нести устройства регулирования напряжения на двигателе в соот­ветствии с уровнем его нагрузки. Как правило, это либо специальные регуляторы напряжения на основе ТПН, включаемые меж­ду сетью и статором двигателя, либо преобразователи частоты, в которых предусмотрен так называемый режим энергосбережения. В первом случае ТПН выполняет кроме функции энергосбереже­ния не менее важные функции управления режимами пуска и тор­можения иногда регулирует скорость или момент, осуществляет защиту, диагностику, т. е. повышает технический уровень привода в целом. Во втором случае режим энергосбережения рассматрива­ется как дополнительная опция преобразователя частоты и имеется лишь в некоторых выпускаемых типах преобразователей. С учетом многофункциональности применения такие устройства оказыва­ются экономически целесообразными для приводов с изменя­ющейся нагрузкой даже при их относительно высокой стоимости.

5. Совершенствование алгоритмов управления электроприво­дом в системах ТПН – АД и ППЧ – АД на основе энергетических критериев оценки его качества, т.е. совершенствование известных решений, разработка эффективных технических средств для их осуществления и поиск новых решений, оптималь­ных в энергетическом смысле.

В рамках второго направления снижения потребления энергии решающее значение имеет переход от нерегулируемого электро­привода к регулируемому и повышение уровня автоматизации за счет включения в контур регулирования ряда технологических параметров (давления, расхода, температуры и т.д.). Так как это направление связано со снижением потребления энергии элект­роприводом за счет изменения технологического процесса, появ­ляется возможность регулировать ранее не регулировавшиеся тех­нологические параметры или изменять способ их регулирования.

Для третьего направления снижения потребления энергии ха­рактерны совершенствование системы электропривода в сочета­нии с автоматизацией технологического процесса и правильный выбор соответствующего по качеству регулирования электропри­вода из уже имеющихся или разработка новых, более качествен­ных систем.

Заметим, что при реализации конкретных проектов выявляет­ся, как правило, не один, а несколько возможных путей энерго­сбережения, поэтому для получения максимального эффекта не­обходим комплексный подход к решению задачи энергосбере­жения в электроприводе.

Рассмотрим некоторые из перечисленных путей повышения энергетической эффективности асинхронного электропривода.

2. Энергетическая эффективность асинхронных электроприводов.

2.1. Кинематически связанные электроприводы.

Постоянные потери асинхронного электропривода не зависят от его нагрузки и остаются практиче­ски неизменными при неизменной скорости. Вместе с тем пере­менные потери, к которым отнесены потери в меди статора и ротора, зависят от нагрузки. Имеется большое число механизмов, в которых нагрузка электропривода зависит от характеристик ме­ханизма, на которые можно повлиять в процессе проектирова­ния, наладки и даже эксплуатации.

В качестве примера рассмотрим многодвигательные электро­приводы таких механизмов, как рольганги, механизмы перемеще­ния крана, поворота платформы экскаватора, различных транспорт­ных машин и т.д. Достаточно часто электроприводы механизмов выполняют двух- или многодвигательными для уменьшения их момента инерции, что позволя­ет улучшить динамику процес­сов.

Во всех этих механизмах ско­рость двигателей, как правило, одинакова, а распределение ста­тической нагрузки, если не при­няты специальные меры, оказы­вается неравномерным.

Причиной неравномерной нагрузки двигателей обычно яв­ляется незначительное отличие механических статических харак­теристик двигателей. На рис. 2.1 представлены механические ха­рактеристики двух одинаковых асинхронных двигателей при питании их от сети. При одина­ковой частоте вращения момен­ты двигателей соответственно для АД № 1 и АД № 2 определяются выражениями:

М
с1
=М
с.ср
+ΔМ
с
; М
с2
=М
с.ср
-ΔМ
с
,

где М
с.ср
– среднее значение статического момента, М
с.ср
=(Мс1
+Мс2
)/2; ΔМ
с
– отклонение статического момента от среднего.

Рис. 2.1. Распределение момента на­грузки между двумя параллельно работающими двигателями

Очевидно, что аналогичная картина будет наблюдаться и в ре­гулируемых электроприводах. Причиной этого является как раз­брос параметров отдельных двигателей, так и различие в настройках систем управления. Оценим влияние неравномерности деления нагрузок на потери энергии в двигателе.

Переменные потери энергии в двигателе (потери в меди стато­ра и ротора) можно выразить через механические переменные:

ΔР
м
= М
ω0
S
(1+а
), (2.1)

где а
= R
1
/R
2
’.

Так как работа двигателя в двигательном режиме происходит на линейном участке механической характеристики, то скольжение двигателя можно достаточно точно выразить через его момент:

, (2.2)

где β
– жесткость линейного участка механической характеристики, β
= М
ном
/ω0
S
ном
.

Тогда

. (2.3)

Потери в меди в номинальном режиме работы двигателя (при М
= М
ном
) составят

. (2.4)

Тогда при работе двигателя с моментом, отличным от номинального, потери в меди

.

Для приведённого выше примера потери в меди первого двигателя составят

, (2.5)

для второго –

, (2.6)

а суммарные потери в двух двигателях –

. (2.7)

Очевидно, что если двигатели загружены одинаково, то суммарные потери в двух двигателях

,

т.е. меньше на величину дополнительных потерь

. (2.8)

В качестве примера выполним расчет потерь в меди в двух двигателях типа МТМ412-6, работающих на общую нагрузку. Двигатели имеют следующие номинальные данные: Рном
=22 кВт; ωном
=100,51 с-1
; Sном
=0,04; R1
=0,218 Ом; R2
’=0,1922 Ом.

Потери в меди в номинальном режиме работы в соответствии с формулой (2.4) составят ΔРном
=1,95 кВт = 0,09 Рном
.

Если Мс.ср
=0,5Мном
, то при ΔМс
=0,2Мном
потери в двигателе с большей нагрузкой в соответствии с формулой (2.5) составят ΔРм(1)
=0,72
ΔРм.ном
=0,49ΔРном
=0,956 кВт, а в двигателе с меньшей нагрузкой в соответствии с формулой (2.6) ΔРм(2)
=0,32
ΔРм.ном
=0,09ΔРном
=0,176 кВт.

Суммарные потери в двух двигателях ΔРмΣ
= 0,58ΔРм.ном
=1,131 кВт.

При равномерном делении нагрузки ΔРмΣ
= 0,5ΔРм.ном
=0,975 кВт.

Дополнительные потери в меди при неравномерном делении нагрузки ΔРмΣдоп
= 0,08ΔРм.ном
=0,156 кВт.

Если ΔМс
=0,5Мном
, то дополнительные потери в меди обоих двигателей возрастут до величины ΔРмΣдоп
= 0,5ΔРм.ном
=0,975 кВт.

На первый взгляд экономия энергии за счет выравнивания нагрузок этих двигателей незначительна, но следует учесть два обстоятельства. Во-первых, затраты на выравнивание нагрузок двигателей, как правило, невелики. Так, в случае использования двигателей с фазным ротором это может быть сделано за счет небольшого изменения дополнительных сопротивлений в цепи ротора. В системах ТПН – АД и ППЧ – АД это потребует более тщательной настройки регуляторов электроприводов и более то­чного формирования сигналов заданий на электроприводы. Во-вторых, при массовом использовании таких электроприводов сум­марная экономия энергии может быть ощутимой.

Аналогичные рекомендации могут быть даны и для главных электроприводов многоклетьевых прокатных станов, намоточно-размоточных устройств, в которых технологический процесс про­исходит с определенным натяжением обрабатываемого материала. Очевидно, что работа таких электроприводов с минимально не­обходимым натяжением сопровождается уменьшением потерь в двигателях.

2.2. Режимы энергосбережения в электроприводах с полупроводниковыми преобразователями.

Некоторые современные полупроводниковые преобразователи (ТПН и ППЧ) в виде дополнительной функции содержат так называемый режим энергосбережения. Рассмотрим возможности этого режима на примере преобразователя частоты со скалярным управлением.

Средством дополнительного энерго­сбережения при частотном управлении асинхронным двигателем является разработка такого алгоритма управления, который оп­тимизировал бы магнитный поток. Оптимизация магнитного по­тока позволяет несколько снизить потребляемую мощность путем снижения уровня напряжения при работе в установившемся ре­жиме. В переходных режимах следует использовать регулирование с номинальным потоком, так как работа с оптимальным по усло­виям энергосбережения магнитным потоком связана с существенным уменьшением перегрузочной способности двигателя, что не позволяет достичь необходимого динамического момента.

Для того чтобы оценить эффективность оптимизации магнит­ного потока, можно воспользоваться Г-образной схемой замещения асин­хронного двигателя в статических режимах для анализа установившихся ре­жимов работы АД. Задача заключается в том, чтобы при заданном моменте нагрузки и заданной скорости ротора определить такие значения частоты и амплитуды напряжения, при которых обеспе­чивается минимум потерь в двигателе. Так как при фиксирован­ных моменте и скорости механическая мощность не изменяется, то минимум потерь соответствует минимуму потребляемой мощ­ности и максимуму КПД двигателя. Получение аналитического выражения для амплитуды и частоты напряжения затруднено из-за сложности системы уравнений асинхронного электропривода, которая включает векторные величины и комплексные сопротив­ления, зависящие от скольжения и скорости вращения магнитно­го поля. Вместо этого приведем результаты численного решения этих уравнений без учета возможного изменения параметров схе­мы замещения. Алгоритм решения выглядит следующим образом:

• задается момент нагрузки М
с
и угловая скорость ω;

• задается действующее значение напряжения U
1
,
приложенного к двигателю;

• численно находится такая скорость ω0
, которая при расчете электромагнитного момента М
дает результат М
= М
с
;

• рассчитываются суммарные потери энергии в двигателе;

• в процессе расчета определяется точка с минимумом потерь энергии и все параметры, соответствующие этой точке.

Проанализируем некоторые результаты моделирования по указан­ному алгоритму для двигателя типа 4A160S2, имеющего Рном

= 15 кВт. На рис. 2.2 показаны зависимости потерь от амплитуды напряже­ния и моментов нагрузки при ω = ωном
(а) и ω = 0,5ωном
(б).
Как видно на рис. 2.2, а,
возможность снижения потерь имеется лишь при моментах сопротивления Мс
< 0,6М
ном
.
Очевидно, что при снижении скорости диапазон моментов нагрузки, в котором целесо­образно снижать напряжение, уменьшается (см. рис. 2.2, б
).
В этом случае не рассматривается возможность увеличения напряжения, так как оно приведет к насыщению магнитной цепи.

Возможности экономии потребляемой мощности при различных скоростях и моментах двигателя типа 4A160S2 сведены в табл. 2.1, а на рис. 2.3 показана диаграмма, наглядно иллюстрирующая эконо­мию потребляемой мощности в зависимости от скорости и мо­мента статической нагрузки двигателя типа 4A160S2. Очевидно, что возможности экономии снижаются при увеличении момента нагрузки и уменьшении скорости. В точке М
с
= 0,05М
ном
, ω = ωном
можно дополнительно сберечь 3,6 % номинальной мощности. Если сравнить мощность, потребляемую в данном режиме до и после введения оптимизации, то полученная экономия составит 40 %. Однако выражение экономии потребляемой мощности в процентах от номинальной мощности даёт более наглядное, не зависящее от рабочей точки, представление о возможном эффекте.

Аналогичные расчёты были проведены для двигателя типа 4А80А4, имеющего Рном
=1,1 кВт. В точке Мс
=0,05Мном
, ω=ωном
можно сэкономить до 13 % номинальной мощности. При расчете в этой же точке для двигателя типа 4АН250М4 (Рном
=
110 кВт) полу­чено 2,4 % экономии. Это подтверждает известный факт увеличе­ния эффективности энергосберегающего режима с уменьшением мощности двигателя.

Энергосберегающий режим может быть осуществлен следу­ющими способами:

Рис. 2.2. Зависимость потерь ΔР
в АД типа 4А160S2 от амплитуды напряжения при постоянной скорости и разных моментах нагрузки при ω=ωном
(а
) и ω=0,5ωном
(б
).

Таблица 2.1.

Экономия потребляемой мощности двигателя типа 4А160
S
2 в зависимости от скорости и момента статической нагрузки, ΔР/Рном
, %.

Мс /Мном , %	ω/ωном , %
	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
5	0,26	0,36	0,52	0,75	1,05	1,41	1,85	2,37	2,96	3,61
10	0,12	0,2	0,34	0,53	0,78	1,1	1,49	1,95	2,47	3,07
15	0,03	0,09	0,19	0,34	0,55	0,82	1,16	1,56	2,03	2,57
20	0	0,02	0,08	0,18	0,35	0,58	0,86	1,21	1,63	2,11
25	0	0	0,01	0,08	0,2	0,38	0,61	0,91	1,26	1,69
30	0	0	0	0,01	0,08	0,21	0,4	0,64	0,94	1,31
35	0	0	0	0	0,02	0,09	0,23	0,42	0,67	0,98
40	0	0	0	0	0	0,02	0,1	0,25	0,43	0,69
45	0	0	0	0	0	0	0,02	0,11	0,25	0,43
50	0	0	0	0	0	0	0	0,03	0,12	0,26
55	0	0	0	0	0	0	0	0	0,02	0,12
60	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0,02

Рис. 2.3. Диаграмма экономии потребляемой энергии двигателем типа 4А160S2.

1) поддержанием постоянства cosφ1
;

2) поддержанием постоянного скольжения;

3) управлением с использованием модели двигателя;

4) с помощью поисковых алгоритмов.

Перечисленные способы оптимизации, кроме последнего, ис­пользуют информацию о параметрах двигателя, которая, как пра­вило, неизвестна. Загружать систему скалярного управления зада­чами идентификации не представляется целесообразным. Поэто­му наиболее надежным и независимым от свойств конкретного объекта управления методом оптимизации являются поисковые алгоритмы, которые при расчете используют только значения то­ков и напряжений.

В этом случае оптимальный режим достигается путем миними­зации потребляемой мощности, рассчитанной по формуле

Р1
= 3U1
I1
cosφ1
. (2.9)

В процессе работы система управления итеративно (ступенча­то) изменяет уровень напряжения для отыскания точки мини­мального энергопотребления. Критерием поиска может также слу­жить максимум cosφ1
или минимум потребляемого тока. Оты­скание максимума cosφ1
не дает преимуществ перед минимиза­цией мощности с точки зрения вычислительной сложности, так как cosφ рассчитывается также через векторы тока и напряжения. Преимущество в данном случае заключается в том, что максимум cosφ выражен более явно, чем минимум мощности, и он легче локализуется. Недостатком является несоответствие максимального и оптимального cosφ. Преимущество минимизации тока заключа­ется в упрощении реализации алгоритма. Однако это упрощение несущественно, так как на практике приходится использовать процедуры обработки и фильтрации сигналов с датчиков тока. Дополнительное введение в расчет вектора напряжения не приво­дит к заметному усложнению, так как можно использовать задан­ное значение этого вектора при осуществлении векторной ШИМ. Расчет косинусоидальной функции также проводится сравнительно просто даже при использовании относительно несложных микро­контроллеров. Кроме того, регулирование по минимуму тока не соответствует регулированию по минимуму мощности.

При осуществлении энергосберегающего алгоритма возникает проблема снижения перегрузочной способности двигателя при уменьшении напряжения питания. Система управления должна восстанавливать магнитный поток при механическом возмущении, т.е. реагировать на увеличение тока. Критический момент в данном случае пропорционален квадрату напряжения и может быть рассчитан по формуле

. (2.10)

Таким образом, наиболее приемлемым методом оптимизации энергопотребления для преобразователей со скалярным управлением следует признать метод минимизации потребляемой мощности.

В качестве примера на рис. 2.4 представлены характеристики процесса пуска и поиска оптимального напряжения при работе АД в установившемся режиме при ωном
(P1*
, U1*
, I1*
, ω*
и ω0*
даны в относительных единицах, за базовые величины приняты их номинальные значения).

Рис. 2.4. Характеристики процесса поиска оптимального напряжения при работе АД в установившемся режиме при ωном
.

Поисковому алгоритму может потребоваться несколько десятков секунд для обнаружения оптимальной точки, что делает его непригодным к использованию в механизмах циклического действия с малыми циклами. Это обуславливает целесообразность применения алгоритма поиска минимума потребляемой мощности в электроприводах, длительно работающих с постоянными нагрузками, значительно меньшими номинальных.

Турбомеханизмы характеризуются существенным уменьшени­ем момента нагрузки со снижением скорости, что, с одной сторо­ны, является преимуществом с точки зрения устойчивости к сни­жению перегрузочной способности, а с другой – не позволяет получить высокую эффективность энергосберегающего режима, так как максимум экономии достигается при максимальной ско­рости и минимуме момента нагрузки.

Возможность снижения напряжения на статоре при снижении нагрузки на двигателе имеется также и в системе ТПН – АД.

2.3. Электроприводы центробежных насосов.

Турбомеханизмы, к которым относятся и центробежные насо­сы для перекачки воды и других жидкостей, потребляют до 25 % всей вырабатываемой электроэнер-гии. Работа этих систем отлича­ется неравномерным потреблением воды, тепловой энергии, воз­духа в течение суток в зависимости от погодных условий, време­ни года.

Мощность промышленных насосов лежит в пределах от еди­ниц киловатт до нескольких десятков мегаватт. По назначению различают следующие группы насосов: коммунального и промыш­ленного водоснабжения; погружные для подачи воды или нефти из скважин; циркуляционные; питательные; водоотлива; для транс­порта нефти, пульпы и др.

Насосы, как правило, работают на сеть с противодавлением, причем статический напор в сети составляет обычно не менее 20 % полного напора. Исключением являются циркуляционные насосы, которые могут работать на сеть трубопроводов, практи­чески не имеющую статического напора.

Обычно насосы оснащаются нерегулируемым электроприводом. Регулирование подачи осуществляется при этом практически един­ственным способом – дросселированием на стороне нагнетания.

Регулирование подачи насосов применяют в следующих слу­чаях.

1. При необходимости регулирования количества жидкости, подаваемой насосом, по требованиям технологического процесса или в связи со случайным изменением потребности в жидкости. Например, подачу жидкости циркуляционным насосом системы охлаждения нужно регулировать в зависимости от количества теп­лоты, подлежащей отводу; подача воды насосом должна изме­няться соответственно режиму водопотребления.

2. Если не требуется во время работы регулирование подачи жидкости насосом, но обеспечение требуемой подачи связано с первоначальной подрегулировкой насоса. Например, для подачи жидкости на определенную высоту Н
при постоянных расходе Q
и сопротивлении гидросети по каталогу выбирается насос с бли­жайшими, но больше требуемых номинальными напором и рас­ходом воды. Поэтому для работы с заданными параметрами напор и (или) расход воды насоса должны быть снижены до требуемых значений. Если насос работает при неизменной скорости, то про­стейшим способом регулирования его подачи является дроссели­рование, т. е. неполное открытие задвижки на напорном трубо­проводе насоса.

Характерным примером являются станции горячего и холод­ного водоснабжения и системы отопления зданий. Механизмы этих станций, выбранные исходя из максимальной производительно­сти, значительную часть времени работают с меньшей производи­тельностью, что определяется изменением потребности в разные периоды времени. По некоторым данным среднесуточная загрузка насосов холодного водоснабжения составляет 50...55 % максималь­ной. Существующие системы водоснабжения с нерегулируемым электроприводом не обеспечивают заметного снижения потреб­ляемой мощности при уменьшении расхода воды, а также обуслов­ливают при этом существенный рост давления (напора) в систе­ме, что приводит к утечкам воды и неблагоприятно сказывается на работе технологического оборудования и сетей водоснабже­ния.

Проиллюстрируем хорошо известную энергетическую и техно­логическую неэффективность дроссельного регулирования пода­чи воды насосом. Мощность, потребляемая насосом, определяет­ся по формуле

, (2.11)

где Р
– мощность, кВт; Q
– подача, м3
/с; Н
– напор, м; g
– ускорение свободного падения, м/с2
; ρ
– плотность жидкой среды, кг/м3
; η
– КПД насоса.

На рис. 2.5 показаны характеристики производительности цен­тробежного насоса при дроссельном и частотном регулировании. Кривая 1
характеризует работу нерегулируемого электропривода на номинальной частоте вращения, кривая 3
характеризует рабо­ту магистрали при полностью открытой заслонке. Значения расхо­да и напора воды приведены на рис. 2.5 в относительных единицах при использовании в качестве базовых величин номинального расхода Q
ном
и номинального напора Н
ном
. При номинальном рас­ходе и напоре насос работает в точке А,
а мощность, потребля­емая насосом, пропорциональна площади прямоугольника 0KAL
.
С уменьшением расхода при нерегулируемом электроприводе (на рис. 2.5 для примера показан расход воды, составляющий 0,6Н
ном
) за счёт дроссельного регулирования происходит изменение сопротивления магистрали (кривая 4
), насос работает в точке В
кривой 1
, что приводит к возрастанию напора, который становится больше номинального, а мощность насоса, пропорциональная площади прямоугольника 0DBF
, несущественно отличается от мощности, потребляемой при номинальном расходе, следовательно, и энергопотребление при уменьшенном расходе изменяется незначительно или практически не изменяется.

Рис. 2.5. Характеристики производительности центробежного насоса при дроссельном и частотном регулировании.

На то обстоятельство, что при дроссельном регулировании расхода (подачи) воды возрастает напор (давление) в системе и практически не удаётся снизить энергопотребления, следует обратить особое внимание. Экспериментальные данные по структуре себестоимости перекачки 1 м3
воды по годам показаны на рис. 2.6 [3]. Диаграмма наглядно подтверждает увеличение доли электроэнергии в общих затратах на поднятие и перекачку воды. Учитывая, что возрастание стоимости электроэнергии носит опережающий характер по сравнению со стоимостью других затрат, проблема энергосбережения при ра­боте насосов холодного и горячего водоснабжения приобретает первостепенный характер. Дополнительным аргументом в пользу необходимости внедрения на насосных станциях энергосбере­гающих технологий являются существенные потери (утечки) воды в системе водоснабжения, чему способствует повышение давле­ния (напора) в системе при дроссельном регулировании насосов. В пользу этого говорят и конкретные цифры, приведенные в табл. 2.2, в которой показан расход воды в России на одного жи­теля [3].

Рис. 2.6. Доля электроэнергии (□) в себестоимости перекачки 1 м3
воды.

Таблица 2.2

Расход воды на одного человека в России и сопутствующие ему потери

Год	Расход воды на одного человека, л/сут		Потери, %
	Всего	В том числе горячей
1994	235	100	65
1999	400	160	40

Таким образом, приведенные соображения объективно подтвер­ждают необходимость перехода от систем дроссельного регулиро­вания насосных агрегатов к системам автоматического управления ими путем автоматического поддержания необходимого техноло­гического параметра, в частности, напора (давления) при изме­няющемся расходе воды за счет применения частотно-регулиру­емых асинхронных электроприводов [5, 7, 8, 9].

Возможности энергосберегающего управления при регулирова­нии скорости электропривода по сравнению с дроссельным регу­лированием проиллюстрированы на рис. 2.5. За счет уменьшения скорости насос работает при снижении расхода в точке С
на кри­вой 2
при неизменной характеристике магистрали (кривая 3
).
Мощность, потребляемая электроприводом в этом случае, пропорци­ональна площади прямоугольника 0ECF
,
что наглядно иллюстри­рует возможности существенного снижения энергопотребления при внедрении регулируемых электроприводов насосов. Наряду с этим уменьшается при снижении расхода воды и напор в системе, что приводит к уменьшению потерь (утечек) воды.

Приведем методики для приближенной сравнительной оценки энергопотребления при изменении подачи центробежных насосов за счет дроссельного регулирования (ДР) и частотного регу­лирования (ЧР) скорости АД насоса [6].

Как указывалось выше, установившийся режим работы насос­ной установки при постоянной скорости приводного электродви­гателя определяется точкой пересечения характеристики насоса, соответствующей этой частоте, и характеристики магистрали, под­ключенной к насосу. Характеристикой насоса является зависимость напора Н
от расхода Q
,
которую с достаточной степенью точно­сти можно представить в виде:

, (2.12)

где Н
0н
– напор насоса при Q
= 0 и ω = ωном
; ωном
– номинальная скорость электродвигателя; С
– конструктивный коэффициент насоса, С
= (Н
0н
-Н
ном
)/Q
ном
2
; Q
ном
и Н
ном
– номинальные расход и напор.

Характеристика магистрали определяется следующим выражением:

, (2.13)

где Н
с
– статический напор (противодавление), соответствующий Q
= 0 (закрытой задвижке); R
– коэффициент сопротивления магистрали, R
=(Н
ном
-Н
с
)/Q
ном
2
.

Характеристики способов регулирования центробежного насоса и магистрали приведены на рис. 2.7.

Мощность, потребляемая насосной установкой из сети:

,

где Р
мех
– мощность на валу двигателя насоса, Р
мех
= М
с
ω; М
с
– статический момент нагрузки на валу двигателя; η
1
– КПД двигателя.

Регулирование подачи дроссельной заслонкой основано на измене­нии сопротивления магистрали. В этом случае при ω = ωном
= const рабочая точка механизма перемещается по Q
–Н
-характеристике, соответствующей номинальной скорости двигателя, в сторо­ну снижения подачи до точки пересечения с новой характе­ристикой магистрали (точки 1
, 2, 3
на рис. 2.7).

При электрическом способе регулирования подачи рабочая точка перемещается по неизменной характеристике магистрали (точки 4, 5, 6, 7
на рис. 2.7). При этом с уменьшением подачи уменьшается и требуемый напор, что приводит к снижению ста­тической мощности, необходимой для работы насоса с задан­ным расходом воды, по сравнению с дроссельным регулирова­нием.

Рис. 2.7. Характеристики способов регулирования центробежного насоса:

1
, 2
, 3
– рабочие точки при дроссельном регулировании подачи; 4
, 5
, 6
, 7
– рабочие точки при регулировании подачи за счет изменения частоты вращения двигателя

Рассмотрим КПД д

вигателя при различных способах регулирования подачи без учета потерь в стали и потерь от тока холостого хода.

При частотном управлении, осуществляемом при постоянстве абсолютного скольжения,

,

где S
ном
– номинальное скольжение двигателя; а
– отношение активных сопротивлений фазы статора R
1
и ротора R
’2
, a
= R
1
/R
’2
.

При регулировании дроссельной заслонкой, когда ω = ωном
= const, КПД двигателя постоянный и вычисляется по формуле η
1
= (1-S
ном
)/(а
S
ном
+1).

Чтобы получить расчётные выражения в функции от расхода, скольжение двигателя можно выразить через расход. Для этого в формуле (2.12) заменим (ω/ωном
)2
на [(1-S
)/(1-S
ном
)]2
и, решив его совместно с выражением (2.13) относительно S
, получим

, (2.14)

где h
c
= H
c
/H
0н
; Q
*
= Q
ном
; .

Зависимость выраженного в относительных единицах момента на валу турбомеханизма при работе его на сеть с постоянными параметрами имеет вид

, (2.15)

где μ – относительный момент на валу турбомеханизма, μ = М
/М
с
max
(М
с
max
– максимальный статический момент на валу механизма, который имеет место при ω= =ωном
); μ0с
– статический момент на валу (М
0с
) при Q
*
= 0 (закрытой задвижке), выраженный в относительных единицах, μ0с
= М
0с
/М
с
max
.

Выражения (2.14) и (2.15) позволяют выразить момент, КПД, скорость и мощность, потребляемую из сети, в функции от расхода воды при заданном противодавлении. Для универсального использования расчётных формул целесообразно определять мощность Р
1
в относительных единицах (Р
1*
= Р
1
/Р
б
), приняв в качестве базового значения мощности Р
б
максимальную статическую мощность на валу двигателя Р
с
max
при ω = ωном
, т.е. Р
б
= Р
с
max
= М
с
max
ωном
.

Если считать, что М
с
max
= М
ном
(М
ном
– номинальный момент двигателя, М
ном
= =Р
ном
/ωном
), то базовая мощность Рб
= Р
ном
.

Выражения для расчёта Р1*
при различных способах регулирования подачи насоса принимают следующий вид:

при дроссельном регулировании

, (2.16)

при частотном регулировании

. (2.17)

Выражения (2.16) и (2.17) позволяют рассчитать потребляемую насосом мощность при дроссельном и частотном регулировании в зависимости от расхода жидкости Q
*
и произвести сравнительную оценку для рассматриваемых способов регулирования. Как следует из (2.16) и (2.17), при дроссельном регулировании для заданного значения Q
*
потребляемая мощность Р
1*
зависит от μ0с
, а
, S
ном
, а при частотном регулировании – от h
с
, μ0с
, а
, S
ном
. Задавая эти параметры для конкретных условий работы насосного агрегата и выбранного двигателя или отрезка серии двигателей, можно рассчитать значения Р
1*
= f
(Q
*
). В табл. 2.3 приведены относительные значения потребляемой мощности Р
1*
в функции относительного расхода Q
*
для дроссельного и частотного регулирования при μ0с
= 0,4; а
= 1; S
ном
= =0,04.

Используя формулы (2.16) и (2.17), можно получить известные зависимости, иллюстрирующие выигрыш в потреблении активной энергии при частотном регулировании по сравнению с дроссельным регулированием. На рис. 2.8 приведены зависимости Р
1*
= f
(Q
*
) при дроссельном и частотном регулировании, построенные по данным табл. 2.3 для h
с
= 0. Задавая расход (Q
i
*
) можно рассчитать потребляемую мощность при дроссельном (P
1
i
*1
) и частотном регулировании (P
1
i
*2
) и определить выигрыш в потребляемой мощности ΔP
1*
I
= P
1
i
*1
- P
1
i
*2
, что позволяет рассчитать снижение годовых затрат по стоимости электроэнергии при частотном регулировании асинхронных электроприводов насосных агрегатов по сравнению с дроссельным регулированием.

Как следует из табл. 2.3, с увеличением статического напора h
с
снижается экономия электроэнергии при внедрении частотно-регулируемого асинхронного электропривода, однако при любых значениях h
с
система технологической автоматизации обеспечивает поддержание постоянного давления в системе независимо от расхода, что позволяет избегать ненужных избытков давления, свойственных дроссельному регулированию. Это очень важно, так как в коммунальной сфере для существующих систем, не находящихся в аварийном состоянии, каждая лишняя атмосфера, а это давление 10 м водяного столба, вызывает дополнительно 2…7 % потерь воды за счёт утечек [6].

Таблица 2.3

Потребляемая электроприводом центробежного насоса мощность при дроссельном и частотном регулировании в зависимости от расхода жидкости и статического напора

Расход Q *	Р1*
	Дроссельное регулирование	Частотное регулирование
		h с =0	h с =0,2	h с =0,4	h с =0,6	h с =0,8
0	0,43	0	0,04	0,11	0,2	0,31
0,2	0,56	0,01	0,08	0,18	0,3	0,42
0,4	0,69	0,08	0,16	0,28	0,41	0,55
0,6	0,82	0,24	0,35	0,45	0,58	0,7
0,8	0,95	0,56	0,64	0,71	0,8	0,87
1	1,08	1,08	1,08	1,08	1,08	1,08

Рис. 2.8. Зависимости P
1*
= f
(Q
*
) при дроссельном (кривая 1) и частотном (кривая 2) регулировании.

Для оценки влияния начального статического момента (μ0с
) на потребляемую мощность в табл. 2.4 приведены зависимости Р
1*
= f
(Q
*
) для дроссельного и частотного регулирования при μ0с
= 0 и h
c
= 0.

Таблица 2.4

Потребляемая электроприводом центробежного насоса мощность для разных способов регулирования при начальном статическом моменте μ0с
=0 и статическом напоре воды
h

c

=0

Способ регулирования	Q *
	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1
Р1* при дроссельном регулировании	0	0,22	0,44	0,66	0,88	1,08
Р1* при частотном регулировании	0	0,01	0,08	0,24	0,56	1,08

Сравнивая данные табл. 2.3 и 2.4, видим, что при снижении μ0с
выигрыш потребляемой мощности при использовании частотно-регулируемых электроприводов уменьшается.

Приведённые выше выражения (2.16) и (2.17) получены в предположении, что КПД насоса равен единице и остаётся неизменным при всех режимах работы. На самом деле КПД насоса меньше единицы и снижается практически при любых отклонениях от номинального режима работы.

Отметим, что при вентиляторном моменте статической нагрузки (при μ0с
=0 и квадратичной зависимости μс
от скорости) относительные значения расхода, напора, момента и мощности на валу двигателя (при использовании в качестве базовых единиц их номинальных значений) могут быть выражены в функции угловой скорости следующими выражениями, которые иногда называют законами подобия:

; (2.18)

; (2.19)

; (2.20)

, (2.21)

где ωном
, М
ном
, Р
ном
– номинальные скорость вращения, момент и мощность двигате-ля соответственно.

КПД насоса при этом считается постоянным.

2.4. Электроприводы вентиляторов и турбокомпрессоров.

Вентиляторы занимают среди турбомеханизмов второе место после насосов по распространению в промышленности. Основное их число приходится на вентиляторы санитарно-технического на­значения, осуществляющие кондициониро-вание воздуха в произ­водственных и других помещениях. Несмотря на относительно небольшую мощность этих вентиляторов (до 100 кВт) на их долю приходится значительная суммарная потребляемая энергия.

Мощные вентиляторы используются для увеличения интенсив­ности охлаждения воды в градирнях химических и металлургиче­ских комбинатов. Они имеют невысокую частоту вращения рабо­чего колеса, обычно не более 600 об/мин.

Ограничение допустимой скорости концов лопаток рабочего колеса вынуждает с увеличением диаметра колеса снижать его но­минальную частоту вращения. Вентиляторы имеют большой мо­мент инерции, иногда на порядок и более превышающий момент инерции приводного двигателя, что затрудняет их пуск, а в неко­торых случаях требует применения электрического торможения для быстрой остановки рабочего колеса.

Вентиляторы в отличие от других турбомеханизмов всегда ра­ботают на сеть без противодавления, вследствие чего зависимость момента статического сопротивления на валу приводного двига­теля от скорости носит квадратичный характер, а подводимая к вентилятору мощность без учета потерь на трение в подшипниках пропорциональна кубу скорости. Поэтому для расчета режимов работы вентиляторов можно использовать выражения для закона подобия (2.18)...(2.21).

Вентиляторы разделяются на центробежные и осевые. Характе­ристики центробежных вентиляторов аналогичны характеристи­кам центробежных насосов. Из аэродинамических способов регу­лирования для центробежных вентиляторов широко используется регулирование поворотом лопастей направляющего аппарата. Регулирующий эффект при этом достигается вследствие уменьше­ния сечения входного канала и закручивания потока на входе в рабочее колесо.

Аэродинамическая характеристика дымососа типа ДН – 12,5-1 при регулирова-нии изменением угла θн.а
поворота лопастей на­правляющего аппарата и n
ном
= 1000 об/мин показаны на рис. 2.9. Очевидно, что при таком регулировании подачи КПД вентилято­ра будет существенно падать. Поворот лопастей направляющего аппарата может осуществляться как вручную по мере необходимо­сти, так и оперативно с помощью исполнительного двигателя. Одна­ко на практике устройства изменения угла установки направляюще­го аппарата в системах автоматического регулирования использу­ются редко из-за сложности эксплуатации и низкой надежности.

Еще менее экономичным способом регулирования производи­тельности вентиляторов является регулирование шибером сечения выходного канала вентилятора, аналогичное дроссельному регулиро­ванию насосов. При этом происходит не изменение характеристики вентилятора, как в предыдущем случае, а меняется характеристи­ка магистрали, как это происходит в насосных установках.

Рис. 2.9. Аэродинамические характеристики дымососа типа ДН – 12,5-1 при регулировании направляющим аппаратом и n
ном
=1000 об/мин.

Если подачу вентилятора регулировать изменением скорости, то характеристика сети соответствует формуле (2.13) при Нс
=
0, т.е. Н =
RQ
2
,
а КПД вентилятора во всем диапазоне регулирова­ния остается постоянным.

Мощность, потребляемую из сети двигателем вентилятора (без учёта КПД вентилятора), можно оценить по выражениям, полученным из (2.16) и (2.17) при h
с
= = 0 и μ0с
= 0. Так, при регулировании шибером

, (2.22)

а при частотном регулировании

. (2.23)

Зависимости потребляемой мощности, построенные по фор­мулам (2.22) и (2.23), показаны на рис. 2.10. Пунктирной линией даны графики мощности двигателя с учетом КПД вентилятора. На рис. 2.10 видно, что потребляемая мощность в частотно-регу­лируемом электроприводе вентилятора значительно ниже, чем при регулировании шибером почти при любых значениях расхода Q
*
,
за исключением точки номинального режима.

Рис. 2.10. Зависимости изменения мощности, потребляемой из сети электроприводом вентилятора, при регулировании шибером (1
) и частотном регулировании (2
)

Рис. 2.11. Эксплуатационные характеристики осевого вентилятора серии В

Осевые вентиляторы [1] имеют характеристики, показанные на рис. 2.11, которые по форме отличаются от характеристик цент­робежных машин. Отличие состоит в том, что левая часть характе­ристик осевого вентилятора имеет провалы и является неустойчи­вой, из-за чего его работа возможна только в области ниже гра­ничного напора. Правая (рабочая) часть характеристики осевых машин крутопадающая.

Регулирование подачи осевых вентиляторов осуществляется изменением угла установки лопаток рабочего колеса. Обычно по­ворот лопаток производится при остановленном вентиляторе и занимает относительно большой промежуток времени. Этот спо­соб регулирования оказывается практически непригодным для систем автоматического управления. Разработанные конструкции поворота лопаток на ходу существенно усложняют конструкцию вентилятора и снижают его надежность.

Кривые равных КПД осевого вентилятора (см. рис. 2.11) при регулировании поворотом лопаток располагаются перпендикулярно характеристикам Н =
f
(Q
), причем с уменьшением напора КПД заметно падает, в то время как у центробежных машин кривые равных КПД при регулировании направляющим аппаратом рас­полагаются параллельно характеристикам Н =
f
(Q
).

Регулирование производительности осевого вентилятора изме­нением скорости двигателя связано с определенными затрудне­ниями, которых нет в центробежных машинах. Если установить угол поворота лопаток равным, например, θн.а
= 47°, то работа на сеть с характеристикой, такой как 0А
1
, (см. рис. 2.11), т.е. с любой ха­рактеристикой, проходящей левее 0А
2
, окажется невозможной, так как вентилятор попадает в зону неустойчивой работы.

Работа на сеть с характеристикой, лежащей правее 0А
2
, напри­мер 0А
3
, неэкономична, так как несмотря на регулирование ско­рости КПД вентилятора не превысит 0,5. Поэтому зона рацио­нальной работы осевого вентилятора с регулированием только скорости довольно узка и в ряде случаев требуется комбиниро­ванное регулирование: периодическое при значительных измене­ниях характеристики сети посредством поворота лопаток с одно­временным изменением скорости и непрерывное в небольшом диапазоне изменения только скорости. Учитывая сказанное, к ре­гулированию осевых вентиляторов нужно подходить более внима­тельно, чем к регулированию центробежных, проводя предвари­тельный анализ возможных режимов работы.

Особое значение для ряда вентиляторов имеет применение регу­лируемого электропривода, так как по некоторым данным утвер­ждается, что КПД вентиляторов при регулируемом электропри­воде должно быть больше, чем при нерегулируемом, в среднем на 12 % [1]. Кроме повышения КПД применение регулируемого при­вода вентиляторов позволяет в некоторых случаях упростить кон­струкцию турбомашин, исключив направляющий аппарат, а так­же обеспечить одновременную работу двух и более вентиляторов.

В настоящее время тенденции перехода к регулируемому при­воду для вентиляторов стали более очевидными.

Вентиляторы являются механизмами с режимом длительной нагрузки с большой продолжительностью работы в течение года; нагрузка на валу приводного двигателя спокойная, перегрузок не возникает. Вентиляторы обладают большим моментом инерции, что необходимо учитывать при расчете пусковых характеристик электроприводов.

Необходимый диапазон регулирования скорости для вентиля­торов обычно не превышает 2:1. Более глубокое регулирование используется редко, если учитывать кубическую зависимость (см. формулу (2.21)) потребляемой мощности от частоты вращения.

Пуск вентилятора может производиться как при разгруженной машине, т.е. при закрытом направляющем аппарате, так и при полностью открытом. В первом случае максимальный момент при пуске двигателя вентилятора равен примерно 0,4 номинального, во втором – номинальному. При пуске мощных вентиляторов с большим диаметром рабочего колеса обычно требуется ограниче­ние ускорений при пуске во избежание появления чрезмерных динамических напряжений в лопатках рабочего колеса.

Перечисленным требованиям наиболее полно соответствует частотно-регулируемый асинхронный электропривод вентилято­ра. При этом, как правило, можно ограничиться использованием простых и недорогих систем частотного регулирования. Примене­ние этих систем характерно более высокому, чем вентиляторы, классу турбомашин, к которому относятся турбокомпрессоры.

Мощность турбокомпрессоров достигает 18 000 кВт, а в перс­пективе достигнет 25 000 кВт и более. Эти машины предназначе­ны для повышения давления газа и транспортирования его по магистральным трубопроводам.

Турбокомпрессоры в зависимости от степени сжатия газа раз­деляются на воздуходувки со степенью сжатия ниже 1,15; нагне­татели, степень сжатия которых выше 1,15; компрессоры, пред­ставляющие собой машины со степенью сжатия газа более 1,15.

К типичным областям применения турбокомпрессоров отно­сятся генерирование пневматической энергии (энергетические турбокомпрессоры); транспортирование газа по магистральным газопроводам; сжатие воздуха для получения кислорода методом разделения; подача воздуха и кислорода в доменную печь, холо­дильная техника.

Регулирование производительности турбокомпрессоров осуще­ствляется в основном дросселированием на стороне нагнетания, КПД турбомеханизма при этом снижается пропорционально ре­гулированию производительности. Для компрессоров разработана система регулирования путем поворота лопаток направляющего аппарата. КПД при таком регулировании будет выше, чем при дросселировании. Однако применение направляющего аппарата существенно усложняет конструкцию турбокомпрессора и сни­жает его надежность, поэтому этот способ регулирования не по­лучил широкого распространения. Наиболее совершенным спосо­бом регулирования производительности турбокомпрессоров яв­ляется изменение скорости их двигателей.

Характеристики турбокомпрессора типа К–3250-41-1 [1] при различной частоте вращения показаны на рис. 2.12.

Особенность работы турбокомпрессоров состоит в том, что каждой частоте вращения соответствует определенная критиче­ская подача машины, ниже которой ее работа становится неустой­чивой. Причиной неустойчивой работы турбокомпрес-соров является повторяющийся срыв потока с рабочих и направляющих лопаток, что приводит к сильным пульсациям давления, открыванию и закрыванию обратного клапана и возникновению аварийных коле­баний в системе. Такой режим называется помпажным. Работа тур­бокомпрессоров в режимах левее границы помпажа (пунктирная линия на рис. 2.12) недопустима. Отметим, что с уменьшением частоты вращения область помпажных режимов сокращается, вследствие чего при регулировании путем изменения частоты вра­щения становится возможной работа турбокомпрессора с пони­женной подачей.

Рис. 2.12. Характеристики турбокомпрессора типа К–3250-41-1 при различных частотах вращения.

Технологическая необходимость регулирования подачи турбокомпрессорных машин связана с их назначением. Так, режим рабо­ты нагнетателей магистральных газопроводов определяется графи­ком потребления газа на конце газопровода. Задачей регулирова­ния подачи компрессоров в данном случае является обеспечение транспортирования требуемого количества газа при минимальных энергетических затратах. При сокращении потребления газа необ­ходимо снижение его подачи во избежание излишнего повыше­ния давления в трубопроводах. Так как турбокомпрессоры на ма­гистральных газопроводах объединяются в станции, состоящие из нескольких последовательно и параллельно работающих компрес­соров, то регулирование подачи газа ведется ступенчато: измене­нием числа работающих машин. Для плавного регулирования этот метод дополняется дросселированием на стороне нагнетания.

Исследования [1] показали, что применение электроприво­да, обеспечивающего плавное экономичное регулирование ско­рости, дает увеличение КПД компрессорной установки на 25 % по сравнению с регулированием посредством дросселирования и на 12% по сравнению с регулированием с помощью направляю­щего аппарата.

Турбокомпрессоры, нагнетатели и воздуходувки, как правило, являются машинами с режимом длительной нагрузки, вследствие чего их электроприводы должны быть рассчитаны на длительную работу. Они являются быстроходными механизмами с частотой вращения рабочего колеса 3000...20000 об/мин, что определяет целесообразность применения для их приводов высокоскорост­ных двигателей. В тех случаях, когда требуется большая частота вращения рабочего колеса, между двигателем и компрессором устанавливается повышающий редуктор.

Все турбокомпрессоры, за исключением воздуходувок, рабо­тают на сеть с сопротивлением, что определяет зависимость мо­мента сопротивления на валу от частоты вращения.

Пуск турбокомпрессора обычно производится без нагрузки пу­тем соединения полости нагнетания с атмосферой или с полос­тью всасывания, из-за чего максимальный момент при пуске не превышает 0,4 номинального.

Наиболее совершенным способом регулирования производи­тельности турбокомпрессоров является изменение их частоты вра­щения. Основной проблемой при этом является то, что большин­ство двигателей компрессоров являются высоковольтными маши­нами (3, 6 кВ и более). В настоящее время лишь несколько заводов-изготовителей предлагают высоковольтные преобразователи час­тоты, стоимость которых, как правило, намного выше, чем пре­образователей, питающихся от сети 380 В. Кроме того, часто пред­лагаются преобразователи с двойной трансформацией, когда на вход и выход обычного низковольтного преобразователя устанав­ливаются соответственно понижающий и повышающий трансфор­маторы. Такое решение нельзя признать экономичным, так как КПД преобразователя частоты при этом снижается, возрастают материалоемкость и габаритные размеры преобразователя. Исходя из сказанного, следует признать целесообразным либо использо­вание непосредственных преобразователей частоты на основе обы­чных тиристоров, либо двухзвенных высоковольтных преобра­зователей частоты со звеном постоянного тока на основе запира­емых тиристоров.

2.5. Электроприводы поршневых машин.

Важное место в промышленном производстве занимают поршневые компрессоры и насосы, а также плунжерные насосы. Пор­шневые компрессоры находят применение в производстве поли­мерных материалов, в установках для разделения воздуха, холо­дильных установках и др. Поршневые и плунжерные насосы при­меняются в производстве минеральных удобрений, на предпри­ятиях легкой и пищевой промышленности.

Поршневые и плунжерные насосы, а также поршневые комп­рессоры имеют мощность от единиц киловатт до нескольких ме­гаватт. Поршневые насосы, как правило, относительно тихоход­ны, причем с увеличением мощности частота вращения их мень­ше и не превышает обычно 500 об/мин, а насосы небольшой мощ­ности имеют более скоростные двигатели с частотой вращения 1000 и 1500 об/мин. Часто рабочий вал компрессора или насоса соединяется с двигателем посредством клиноременной передачи, шкивы которой выполняют в этом случае также роль маховиков.

Особенностью поршневых машин является наличие в их кинема­тической схеме кривошипно-шатунного механизма. Момент сопро­тивления на кривошипном валу механизма, создаваемый одним поршнем, представляет собой периодическую функцию угла по­ворота вала. Момент, создаваемый поршнем одного цилиндра, оп­ределяется следующим выражением [1]:

, (2.24)

где F
– сила реакции поршня, Н, F
=
πHD
2
/4
(H
– давление, раз­виваемое в цилиндре, Па; D
–
диаметр поршня, м); R
–
радиус кривошипа, м; π –
КПД кривошипно-шатунного механизма и цилиндра; ω –
угловая скорость вала, с-1
; α
–
мгновенное значе­ние угла между осями шатуна и штока.

Пренебрегая изменением угла α, в первом приближении мож­но считать, что момент изменяется во времени по синусоиде. Для уменьшения пульсаций нагрузки поршневые машины выполня­ются, как правило, двух- или многоцилиндровыми с соответству­ющим сдвигом кривошипов каждого из цилиндров.

Для того, чтобы пульсации момента сопротивления не вызывали пульсаций момента, развиваемого двигателем, на кривошипном валу обычно предусматривается маховик либо применяется электро­двигатель, обладающий большим моментом инерции ротора.

Момент, который должен развивать двигатель, можно предста­вить в виде суммы двух составляющих: постоянного среднего М
ср
и переменного значения момента инерции, зависящего от угла поворота кривошипа, угловой скорости и жесткости механиче­ской характеристики двигателя [1]:

, (2.25)

где ΔМ
– амплитуда колебаний момента при скорости; J
– мо­мент инерции, приведенный к валу двигателя; β
– коэффициент жесткости механических характеристик двигателя, β
= М
ном
/(ω0
S
ном
).

Как следует из формулы (2.25), пульсации момента двигателя будут тем ниже, чем больше момент инерции привода и больше его скорость, что необходимо иметь в виду при применении регу­лируемого электропривода, так как степень неравномерности мо­мента при снижении скорости возрастает.

Таким образом, наличие в кинематической схеме поршневых машин кривошипно-шатунного механизма и необходимость ис­пользования маховика или двигателя с повышенным моментом инерции определяют следующие их особенности как объекта элек­тропривода: пульсирующий характер нагрузочного момента, зависимость пульсаций от скорости привода; повышенный момент инерции, затрудняющий пуск привода; повышенный момент со­противления при пуске. Так, из-за низкого КПД кривошипно-шатунного механизма и большого сопротивления трения покоя в цилиндрах пусковой момент даже ненагруженных поршневых ма­шин должен быть не менее 1,2 номинального.

В настоящее время для привода поршневых машин большой мощности применяется нерегулируемый электропривод с синхрон­ными двигателями, для машин средней и малой мощности – с короткозамкнутыми асинхронными двигателями, как правило, с повышенным пусковым моментом. Иногда для регулирования по­дачи используют двухскоростные асинхронные двигатели.

Применение ТПН или ППЧ в электроприводах поршневых машин связано с рядом проблем.

Во-первых, это необходимость обеспечения высокого пуско­вого момента. Многие преобразователи имеют специальный ре­жим форсирования напряжения на двигателе (режим «кик-старт») для обеспечения трогания двигателя, который должен быть акти­визирован для таких электроприводов. Заметим, что в некоторых случаях приходится завышать мощность преобразователя для обес­печения требуемого момента трогания.

Во-вторых, в поршневых машинах наблюдается не такая суще­ственная зависимость потребляемой мощности от скорости дви­гателя, как это имело место в турбомашинах, поэтому экономия электроэнергии при переходе к частотно-регулируемому электро­приводу будет не столь значительна (примерно пропорциональ­ная снижению скорости). Это также означает, что в таких меха­низмах ТПН может использоваться только для плавных пуска и остановки, но не для регулирования скорости двигателя, так как в этом режиме потери в двигателе резко возрастают. При этом следует иметь в виду, что если в соответствии с технологией тре­буются частые остановки поршневой машины, например плун­жерного насоса дозатора, то для минимизации потерь в пускотормозных режимах требуется минимальный суммарный момент инер­ции, а для минимизации потерь энергии в уста­новившемся режиме работы с переменным моментом сопротив­ления момент инерции должен быть как можно больше. В связи с этим момент инерции маховика в таких случаях должен выби­раться после детального анализа тахограммы и нагрузочной диа­граммы привода.

В-третьих, для поршневых машин с длительным режимом ра­боты момент инерции маховика должен быть также оптимизиро­ван исходя из требуемого диапазона изменения скорости (при снижении скорости в соответствии с формулой (2.25) пульсации момента увеличиваются) и допустимых значений амплитуды мо­мента двигателя.

2
.6. Электроприводы конвейеров и транспортёров.

Движение ленте конвейера или транспортёра, как правило, передаётся от асинхронного двигателя через редуктор и приводной барабан. Момент на валу приводного двигателя конвейера [1]

,

где F
– усилие на приводном барабане, F
=F
x
.
x
+F
г
(F
x
.
x
– усилие, затрачиваемое на перемещение ленты конвейера или транспортёра; F
г
– усилие, необходимое на перемещение груза); R
– радиус приводного барабана; i
р
– передаточное отношение редуктора; ηр
– КПД редуктора.

Когда груз на ленте конвейера отсутствует, двигатель развивает момент холостого хода М
х.х
=F
x
.
x
R
/i
р
ηр.х.х
, где ηр.х.х
– КПД редуктора, соответствующий усилию F
х.х
.

Учитывая линейную зависимость сил трения от усилий, необходимых для перемещения груза [1], зависимость момента на валу двигателя от усилия на барабане можно представить следующим образом: М
*
=М
х.х*
+(1-М
х.х*
)F
г*
, где М
*
=М
/М
ном
; М
х.х*
=М
х.х
/М
ном
; F
г*
=F
г
/F
г.ном
(М
ном
– номинальный момент на валу двигателя, необходимый для перемещения ленты и номинального груза при номинальной скорости; F
г.ном
– составляющая усилия F
в тянущем органе конвейера, возникающая за счёт перемещения только номинального полезного груза).

Составляющая F
г
тянущего усилия и линейная скорость перемещения V
*
конвейера определяют его производительность: Q
*
=F
г*
V
*
, где Q
*
=Q
/Q
ном
(Q
ном
– номинальная производительность конвейера).

При постоянной номинальной скорости конвейера V
*
=1

Q
*
=F
г*
,

поэтому потребляемую с вала двигателя мощность можно записать в виде

Р
*
=М
*
ω*
=М
х.х*
+(1-М
х.х*
)Q
*
, (2.26)

где Р
*
=Р
/Р
ном
=1; ω*
=ω/ωном
; ω=Vi
p
/R
; P
ном
, ωном
– номинальные соответственно мощность и угловая скорость на валу двигателя.

Из формулы (2.26) следует, что по мере снижения производительности эффективность работы конвейера уменьшается, так как возрастает относительная доля мощности, расходуемой на преодоление момента холостого хода М
х.х
.

Более экономичным является режим работы конвейера с переменной линейной скоростью, обеспечивающей ту же производительность, но при постоянстве составляющей усилия Fг*
=1. В соответствии с формулой (2.26) угловая скорость в этом случае должна изменяться по закону ω*
=V
*
=Q
*
, которому соответствует мощность на валу двигателя

Р
*
=М
*
ω*
=[М
х.х*
+(1-М
х.х*
)]Q
*
=Q
*
. (2.27)

Очевидно, что в этом случае мощность на валу двигателя будет меньше на величину

ΔР
*
=М
х.х*
(1-Q
*
). (2.28)

Из формулы (2.28) видно, что эффект от регулирования ли­нейной скорости конвейера тем выше, чем больше момент холо­стого хода и чем значительнее снижается его производительность.

Характерным примером является электропривод ленточных участковых и магистральных конвейеров угольных шахт и горно-обогатительных комбинатов, работающий с переменной нагруз­кой, изменения которой достаточно трудно предсказуемы из-за случайного характера грузопотока. При этом время работы на холо­стом ходу может достигать 20...40 % времени работы конвейера.

Для оценки возможного снижения энергопотребления при при­менении регулируемого электропривода ленточного конвейера в сравнении с нерегулируемым электроприводом было вычислено относительное потребление электрической энергии при транспор­тировании груза одинакового объема системами с нерегулируемым электроприводом, с частотно-регулируемым электроприводом, обеспечивающим плавное регулирование скорости ленты конвей­ера, с двухскоростным электроприводом с различным соотноше­нием номинальных угловых скоростей, равным 1:2 и 1:3, обеспе­чивающим дискретное регулирование линейной скорости ленты конвейера [4].

При оценке принималось, что система автоматического уп­равления частотно-регулируемым электроприводом обеспечивает поддержание постоянной погонной нагрузки конвейера. В этом случае электропривод конвейера работает с оптимальной энерго­емкостью. Численные значения параметров электропривода при­ведены для ленточного конвейера типа 2Л80У. Полученные дан­ные потребления электрической энергии приводом конвейера при­ведены в табл. 2.5 в относительных единицах. За базовое значение принято потребление электрической энергии нерегулируемым электроприводом.

Таблица 2.5

Потребление энергии конвейерами в зависимости от типа электропривода и нагрузки

Тип электропривода конвейера	Потребление энергии при загрузке конвейера, отн. ед.
	низкой	высокой
Нерегулируемый асинхронный	1,0	1,0
Частотно-регулируемый асинхронный	0,62	0,74
Двухскоростной асинхронный с соотношением угловых скоростей:
1:2	0,79	0,92
1:3	0,80	0,95

Из анализа данных табл. 2.5 следует, что применение плавного регулирования линейной скорости ленты, например с помощью частотно-регулируемого электропривода, позволяет снизить энер­гопотребление на 26...38 % по сравнению с нерегулируемым элек­троприводом. Применение дискретного регулирования линейной скорости ленты конвейера с использованием двухскоростного элект­ропривода с соотношением угловых скоростей 1:2 и 1:3 позволя­ет снизить потребление электроэнергии на 5...21 % по сравнению с нерегулируемым приводом. Экономия энергии при применении регулируемого привода тем выше, чем ниже загрузка конвейера.

Таким образом, применение частотно-регулируемого электро­привода конвейера, обеспечивающего плавное регулирование линейной скорости ленты, позволяет получить максимальную эко­номию электроэнергии транспортирования груза при переменном грузопотоке. Немаловажное значение имеет и возможность плав­ного пуска конвейера.

Отметим, что особенностью частотно-регулируемых электро­приводов конвейера является необходимость применения асин­хронного электродвигателя с принудительным охлаждением, чтобы при регулировании угловой скорости ниже номинальной условия охлаждения двигателя не изменялись. Это позволяет обеспечить по условиям нагрева постоянный, равный номинальному значе­нию, момент на всех скоростях АД.

2.7. Электроприводы управления дуговыми сталеплавильными печами.

Возможность снижения энергопотребления в энергоемких про­изводствах за счет использования быстродействующих частотно-регулируемых электроприводов рассмотрим на примере дуговых сталеплавильных печей (ДСП).

Выплавка высококачественной стали в дуговых сталеплавиль­ных печах [1] в настоящее время становится экономически более целесообразной, чем в мартеновских или другого типа печах. Од­нако многие существующие ДСП морально и физически устаре­ли, а создание новых требует значительных капиталовложений, поэтому одним из основных способов решения данной проблемы считается модернизация существующих ДСП.

На многих действующих ДСП, построенных 15...20 лет назад, используется аналоговая или простейшая цифровая система уп­равления, которая не соответствует современным требованиям к производительности печи, удельному расходу энергии, качеству выплавляемой стали, надежности и т.д. В последние годы наме­тился качественный скачок в области микропроцессорных систем автоматического управления и электрического привода, связан­ный с совершенно новым подходом к решению задач управле­ния, проектирования систем управления и автоматизации, новы­ми технологиями монтажа и наладки. Существующие системы уп­равления ДСП основаны на достаточно простых законах управле­ния и имеют низкое быстродействие, определяемое датчиками и исполнительными устройствами.

С другой стороны, технология выплавки стали в ДСП, основ­ные механизмы печи и технологическое оборудование не претер­пели за это время столь значительных изменений и требуют лишь ревизии и своевременного ремонта. Поэтому следует признать эко­номически целесообразным модернизацию существующих ДСП путем замены системы управления и ряда исполнительных уст­ройств на современные. При этом должны использоваться наибо­лее эффективные законы управления, а также многоуровневая система автоматизации с развитыми подсистемами визуализации, диагностики, статистической обработки и документирования.

Все эти требования могут быть удовлетворены при использова­нии мощных программируемых контроллеров и современных си­стем привода электродов на нижнем уровне автоматизации и про­мышленных персональных ЭВМ – на верхнем. При этом суще­ственную роль играют алгоритмы регулирования и быстродействие отдельных элементов системы.

Так как в дуговой печи имеют место частые броски тока, особен­но в период расплавления, то в ней токи эксплуатационного корот­кого замыкания должны быть ограничены до безопасного для элек­трооборудования значения, а система автоматического регулиро­вания должна быстро реагировать на эти броски и ликвидировать их. В целом работа ДСП характеризуется нестабильностью дуги особенно на этапе расплавления, значительными бросками тока в процессе работы, которые носят случайный характер. Одним из основных параметров, определяющих качество стали и удельный расход электроэнергии, является дисперсия тока дуги d
,
умень­шение которой следует считать одной из главных задач модерни­зации печи.

На рис. 2.13 показаны зависимости активной мощности Р
и cosφ ДСП-200 от тока дуги при разных дисперсиях этого тока, а на рис. 2.14 – зависимости удельного потребления энергии W
y
д
и продолжительности расплавления t
р
сталеплавильной печи ДСП-200 мощностью 45 МВ∙А от тока дуги при разных дисперсиях это­го тока [1]. На рис. 2.13 и 2.14 видно, что при одном и том же токе, но разных уровнях его пульсации характеристики ДСП-200 значительно отличаются как по среднестатистическим значениям активной мощности и коэффициента мощности, так и по удель­ному расходу энергии и продолжительности расплавления. Стати­стическая оптимизация работы регулятора мощности сталепла­вильной печи по

Рис. 2.13. Зависимости активной мощности Р
(- - - -) и cosφ (-------) при разных значениях дисперсии тока d

Рис. 2.14. Зависимости удельного потребления энергии W
уд
(- - - -) и продолжительности расплавления t
р
(-------) при разных значениях дисперсии тока d

критерию минимума дисперсии тока дает значи­тельное повышение технико-экономических показателей ДСП. Та­кая оптимизация может быть выполнена, например, с использованием известных методов вариационного исчисления. Очевидно, что успешное решение этой задачи зависит от качества и быстро­действия всех элементов, входящих в замкнутый контур регули­рования мощности дуги, в том числе электропривода перемеще­ния электродов.

В качестве регулируемого электропривода электродов исполь­зуется привод постоянного тока, в конструкции двигателя кото­рого имеется коллектор и щеточный аппарат, что усложняет экс­плуатацию двигателя, приводя к дополнительным расходам на его техническое обслуживание. Асинхронный двигатель имеет прочную конструкцию, надежен и практически не требует обслуживания по сравнению с двигателем постоянного тока, что очень важно, учитывая тяжелые условия эксплуатации электропривода элект­родов. Сложность использования этого двигателя в регулируемых установках состоит в том, что энергетические показатели и диа­пазон регулирования его скорости, сопоставимые с приводом по­стоянного тока, может обеспечить только преобразователь часто­ты. Ограничение применения частотно-регулируемого привода было связано с большой стоимостью этих преобразователей и их срав­нительно невысокой максимальной мощностью.

Ведущие предприятия-изготовители, специализирующиеся в области электроприводов, выпускают в основном преобразовате­ли частоты с цифровым управлением по схеме «неуправляемый выпрямитель – автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией». Приводы, выполненные на основе этих преобразователей, являются наиболее перспективными. В насто­ящее время выпускаются электроприводы на основе технологии «прямого управления моментом», позволяющие получать макси­мальное быстродействие, поэтому современные частотно-регули­руемые электроприводы наиболее полно соответствуют требова­ниям, предъявляемым к электроприводам электродов.

Самые тяжелые условия эксплуатации электропривода пере­мещения электродов приходятся на период расплавления шихты. В этот период дуга горит нестабильно и регулятор мощности часто меняет задание на скорость двигателя для того, чтобы поддержать заданные напряжение и ток дуги. С другой стороны, на заключи­тельных этапах плавки нет частых включений двигателя, так как дуга горит стабильно, т.е. периоды отключения преобладают над рабочими периодами электропривода.

При разработке регулятора необходимо правильно выбрать па­раметр регулирования, достаточно полно характеризующий от­клонение режима работы ДСП от заданного.

Качество выплавляемого металла зависит от подводимой мощ­ности электроэнергии. Регулирование активной мощности может быть осуществлено изменением напряжения печного трансформа­тора или перемещением электродов. Изменение напряжения производится вручную или автоматически переключением ступеней транс­форматора, поэтому единственным каналом быстрого изменения активной мощности является перемещение электродов. При пере­мещении электрода изменяется длина дуги и, как следствие, на­пряжение дуги, сила тока и активная мощность.

Принципиально возможно построение регуляторов, поддержи­вающих один из следующих параметров на заданном уровне: силу тока дуги I
д
; напряжение дуги U
д
;
сопротивление дуги Z
д
= U
д
/
I
д
(или ее длину); активную мощность дуги Р
д
.

Однако все эти способы обладают недостатками, затрудня­ющими применение соответствующих регуляторов [2]. Наилучшие результаты дает регулятор, в котором в качестве регулируемого параметра принята разность

,

где а и
b
– настроечные коэффициенты; Z
д0
и Z
д
–
соответствен­но заданное и текущее значения полного сопротивления дуги.

В дуговых электропечах обычно используется принцип регулиро­вания «по отклонению». Для этого формируется сигнал ошибки как разность заданного и текущего значений регулируемого пара­метра:

,

где I
3
– заданное значение тока дуги; С
– константа, соответству­ющая напряжению первой ступени трансформатора.

Далее сигнал ошибки, вычисленный для каждого электрода, используется в регуляторе мощности для формирования сигнала задания на соответствующий электропривод.

Регулятор мощности дуги при минимизации дисперсии тока состоит из линейной динамической части, синтезируемой, напри­мер, методами классического вариационного исчисления, и ста­тической нелинейной части, которая формируется из следующих соображений. На стадии расплавления предлагается (в отличие от традиционной линейно-релейной) параболическая характеристика регулятора, чтобы система слабо реагировала на незначительные изменения тока дуги, но быстро отрабатывала резкие изменения режима, в том числе короткие замыкания и обрывы дуги. Вместе с тем на поздних стадиях плавки резких изменений режима не происходит, поэтому здесь желательно увеличить чувствительность регулятора с одновременным уменьшением максимальной ско­рости перемещения. Статические характеристики такого регуля­тора представлены на рис. 2.15. Здесь сплошной линией представ­лена характеристика регулятора на стадии расплавления, пункти­ром – на стадии доводки.

Функциональная схема регулятора мощности дуги одной фазы приведена на рис. 2.16. Сигналы, пропорциональные току I
д
и на­пряжению дуги U
д
, поступают соответственно с трансформатора тока (ТТ) и трансформатора напряжения (ТН) на выпрямители тока (ВТ) и напряжения (ВН). Затем сигналы фильтруются фильт­рами (Ф), после чего через аналого-цифровые преобразователи подаются на соответствующие входы программируемого логиче­ского контроллера (ПЛК), в котором согласно алгоритму работы регулятора рассчитывается задание на скорость двигателя, которое подается затем на привод ППЧ – АД.

Таким образом, регулятор мощности дуги, синтезированный по критерию минимума дисперсии колебаний тока, в сочетании с быстродействующим частотно-регулируемым асинхронным электроприводом в качестве исполнительного устройства позволяет повысить технико-экономические показатели, снизить потребле­ние энергии и повысить коэффициент мощности ДСП.

Рис. 2.15. Статическая характеристика регулятора мощности дуги одной фазы в ДСП: ωп
, ωс
– максимальные угловые скорости подъёма и спуска электродов соответственно; δ – ширина зоны нечувствительности; m
– коэффициент снижения скорости на этапе доводки

Рис. 2.16. Функциональная схема регулятора мощности дуги одной фазы в ДСП

Учитывая установленную высокую мощность таких объектов, можно рекомендовать использование аналогичного подхода при реконструкции и проектировании других электротермических уста­новок, например рудовосстановительных, электрошлаковых и вакуумных дуговых печей, а также некоторых индукционных уста­новок.

Заключение.

В заключение хотелось бы отметить, что приведенные примеры производ­ственных механизмов и технологических процессов, а число их можно увеличить, подтверждают, что использование для них ча­стотно-регулируемых асинхронных электроприводов с системой технологической автоматики позволяет повысить качество управ­ляемых процессов в переходных и установившихся режимах и обес­печить существенные ресурсо- и энергосбережения.

Список литературы.

1. Энергосберегающий асинхронный электропривод // И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов, В.Н. Поляков: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 256 с.

2. Автоматическое управление электротермическими установками / Под ред. А.Д. Сванчанского. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 416 с.

3. Актуальность проблемы энергосбережения в системе водоснабжения // Ежемесячная газета «Новости приводной техники». – М., 2001. – №6. – С. 6 – 7.

4. Бабокин Г.И. Энергосбережение в электроприводе конвейера // Изв. вузов. Горный журнал. – 2002. – №1. – С. 122 – 125.

5. Брасдавский И.Я., Зубрицкий О.Б., Ольков А.Е. Энергетика регулировочных режимов асинхронного электропривода при потенциальном моменте нагрузки // Изв. вузов. Электромеханика. – 1975. – №1. – С. 82 – 85.

6. Использование частотно-регулируемого электропривода в насосных станциях // Ежемесячная газета «Новости приводной техники». – М.: 2002. – №2(10). – Код № 10 – 6.

7. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод как средство энергосбережения / И.А. Авербах, Е.И. Барац, И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов // Энергетика региона. – Екатеринбург, 2002. – №2(45). – С. 34 – 35.

8. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. – Екатеринбург: УРО РАН, 2000. – 654 с.

9. Электропривод и автоматизация промышленных установок как средства энергосбережения / И.А. Авербах, Е.И. Барац, И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов. – Екатеринбург: Свердловгосэнергонадзор, 2002. – 28 с.

10. A.C. Technology Anticipated to Boost Sales in Variable Speed Drivers Market // EPE Journal, 2003. – Vol. 6, № 2. – P. 7–8.