Некоммерческое акционерное общество
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра электропривода и  автоматизации промышленных установок
ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД в
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
Конспект лекций
для магистрантов
специальности 6М071800 - Электроэнергетика

Алматы 2013

СОСТАВИТЕЛЬ: С.Б. Алексеев. Частотно-регулируемый электропривод в автоматизированных системах управления технологическими процессами. Конспект лекций для магистрантов специальности 6М071800 – Электроэнергетика.- Алматы: АУЭС, 2013. – 37 с.

Конспект лекций соответствует курсу «Частотно-регулируемый электропривод в автоматизированных системах управления технологическими процессами» и разработан на основании рабочей и учебной программы. Рассмотрены принципы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами на базе частотно-управляемого  электропривода. Даны варианты схемных решений, обоснование и выбор типа электропривода для конкретного механизма, вопросы энергосбережения.

Методические указания предназначены для студентов специальности 6М071800 – Электроэнергетика.

Ил. 35    , библиогр.-  7    назв.  

Рецензент:  доцент  Башкиров М.А.

ã НАО “Алматинский университет энергетики и связи”, 2014 г.

Введение

Постоянное совершенствование технологий в производстве силовых полупроводниковых приборов с новыми свойствами и характеристиками позволило осуществлять преобразование электрической энергии в формах, наиболее удобных для ее электромеханического преобразования, что открыло широкие возможности для создания технически совершенных регулируемых электроприводов. Замена устаревших способов регулирования скорости позволяет не только обеспечить экономию электроэнергии, но и  существенно улучшить технологические показатели работы всего оборудования в целом. Самое широкое применение в этой сфере нашли полупроводниковые преобразователи частоты и созданные на их базе частотно-регулируемые электроприводы (ЧРП). Имея в своем составе простой и надежный асинхронный электродвигатель, эти электроприводы стали вытеснять электроприводы постоянного тока даже  из традиционных областей их применения, таких как станкостроение. Имея в своем составе микропроцессорные системы управления эти электроприводы легко встраиваются в автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП).

Около 65% электроэнергии в промышленности, электроэнергетике и др. отраслях расходуется асинхронными электроприводами насосов и вентиляторов, работающих с постоянной частотой вращения. И нет ничего удивительного в том, что непрерывно растет число предприятий, рассматривающих применение электроприводов с регулируемой частотой вращения как ключ к энергосбережению, повышению рентабельности и конкурентоспособности предприятия, улучшению экологической обстановки.

Лекция №1. Принципы построения систем частотно-регулируемого электропривода

Цель лекции: изучить принципы построения силовых схем преобразователей частоты, применяемых в электроприводе.

         Как известно, применение преобразователей частоты (ПЧ) для управления асинхронным двигателем является наиболее экономичным способом плавного регулирования частоты вращения. При этом двигатель во всем диапазоне регулирования работает с малой величиной скольжения ротора (малыми потерями скольжения), сохраняет высокий коэффициент полезного действия (КПД) и хорошую «жесткость» механических характеристик, может работать в двигательном и генераторном режиме.

        Такие устройства преобразуют электроэнергию питающей сети в электроэнергию с требуемыми значениями напряжения, тока и частоты в два этапа. На первом этапе с помощью выпрямителя производится преобразование тока и напряжения сети с частотой 50 Гц в постоянные ток и напряжение.  На втором этапе постоянные ток и напряжение преобразуются в переменные, но уже с новыми, требуемыми для обеспечения желаемого режима работы электродвигателя значениями тока, напряжения и частоты. Это преобразование осуществляется специальными устройствами – автономными инверторами. Автономным инвертор назван потому, что его работа не связана непосредственно с питающей сетью. Автономный инвертор может работать, например, и от аккумуляторной батареи, а не только от сетевого выпрямителя. По принципу построения силовой схемы такие инверторы делятся на два типа – инверторы напряжения и инверторы тока.

         Если автономный инвертор получает питание от источника напряжения, т.е. от источника с малым внутренним сопротивлением (аккумуляторная батарея, выпрямитель с ёмкостным фильтром), то на его выходе при переключении силовых полупроводниковых «ключей» может быть получено переменное напряжение в форме последовательности разнополярных прямоугольных импульсов. Первая гармоника такой последовательности должна соответствовать требуемому значению выходного напряжения. Такой инвертор называется автономным инвертором напряжения (АИН). При работе АИН на реактивную нагрузку должна быть обеспечена возможность обмена реактивной энергией между нагрузкой и источником постоянного напряжения, для чего параллельно входу АИН устанавливается конденсатор достаточно большой емкости, а встречнопараллельно переключающей схеме АИН подключается так называемый обратный выпрямитель. Это позволяет току в нагрузке протекать со сдвигом по фазе по отношению к напряжению.

Для АИН характерны однозначная зависимость выходного напряжения от входного и практическая независимость выходного напряжения от изменения нагрузки и ее коэффициента мощности. Это является существенным достоинством АИН при работе на двигатель переменного тока и обусловливает предпочтительное использование АИН в разомкнутых системах управления скоростью двигателей переменного тока и при питании группы двигателей. Типичная схема АИН с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для электроприводов малой и средней мощности изображена на рисунке 1.1.

                                               VD1- VD6                            VD7- VD12,  VT1- VT6         

             

                                               C

Рисунок 1.1

Принцип работы АИН с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) удобно рассмотреть с помощью эквивалентной схемы, представленной на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2.

Если при постоянной несущей частоте менять соотношение между Dt1 и Dt2 в соответствии с синусоидальным законом

                                            ,

то среднее значение напряжения на нагрузке также будет меняться по синусоидальному закону

                                               ,                                              

где  ws – круговая частота модуляции;

m - коэффициент глубины модуляции, показывающий в каких пределах изменяются длительности интервалов Dt1 и Dt2 в течение периода частоты модуляции.

          При полной модуляции (m=1) Dt1 и Dt2 изменяются от 0 до t и амплитуда среднего значения напряжения на нагрузке равна UИ/2.

           Таким образом, меняя значения параметров m и fs, можно осуществлять независимое регулирование напряжения и частоты тока в нагрузке при постоянной несущей частоте и неизменном питающем напряжении.

          Следующим шагом в улучшении формы выходного напряжения АИН, а следовательно, и условий электромагнитной совместимости с асинхронными двигателями, является выполнение их многоуровневыми (см. рисунок 1.3). Высоковольтные преобразователи частоты (ВПЧ) с такими АИН в различных модификациях выпускают Siemens, Toshiba, Mitsubishi Electric.

          Благодаря практически синусоидальной форме выходного напряжения (осциллограммы на рисунке 1.4), такие ВПЧ совмещаются со стандартными общепромышленными асинхронными двигателями без установки специальных фильтров на выходе, что позволяет использовать двигатели практически без разгрузки.

http://news.elteh.ru/pics/32/lazarev_diag_11.gif
     

                                           Рисунок 1.3

http://news.elteh.ru/pics/32/lazarev_diag_12.gif

Рисунок 1.4

          

           Если инвертор получает питание от источника с большим внутренним сопротивлением – источника тока, например, сетевого выпрямителя с индуктивным фильтром (ток в индуктивности фильтра не может изменяться скачком), то при переключении «ключей» на выходе инвертора может быть сформирован переменный ток в виде последовательности разнополярных прямоугольных импульсов тока. Первая гармоника такой последовательности должна соответствовать требуемому значению выходного тока. В этом случае для нагрузки инвертор является источником с большим внутренним сопротивлением, т. е. источником тока. Такой инвертор называется автономным инвертором тока (АИТ).

          Если нагрузкой АИТ является машина переменного тока, то изменение момента на ее валу приводит к существенному изменению напряжения на ее выводах. Поэтому в практических системах электропривода с АИТ используются различные обратные связи, направленные на стабилизацию напряжения на двигателе или на регулирование его по заданному закону с целью обеспечения необходимого магнитного потока машины, предусматриваются устройства для отвода части энергии, накопленной в индуктивности нагрузки. На рисунке 1.5 приведена типичная схема преобразователя частоты на основе АИТ с ШИМ на запираемых SGCT-тиристорах. Применение ШИМ позволило получить близкие к синусоидальной форме инвертируемых тока и напряжения, поскольку конденсаторный фильтр на выходе инвертора, поглощая высокочастотные гармоники, обеспечивает формирование в двигателе квазисинусоидальных тока и напряжения.  Осциллограмма на рисунке 1.6 иллюстрирует формы тока и напряжения на выходе АИТ преобразователя Power Flex 7000 при работе на асинхронный двигатель мощностью 1250 кВт напряжением 6000 В. Одним из важнейших критериев при оценке эффективности автономных инверторов является обеспечение их электромагнитной совместимости со стандартными асинхронными двигателями. Являясь источником высших гармоник, они оказывают влияние как на потери в двигателе и его допустимую нагрузку, так и на изоляцию статора. Это обстоятельство является особенно важным, и его нужно учитывать при выборе типа инвертора и соответственно ПЧ для стандартных высоковольтных асинхронных двигателей, имеющих ограниченные запасы по изоляционной прочности. Электрические воздействия выходного напряжения инвертора на изоляцию статора зависят от топологии АИН и АИТ и алгоритмов управления. Радикальное решение, наиболее эффективно обеспечивающее электромагнитную совместимость инвертора и электродвигателя практически без разгрузки последнего, – применение широтно-импульсной модуляции (ШИМ) при управлении инвертором. ШИМ позволяет сформировать квазисинусоидальный ток в асинхронном двигателе с cуммарными нелинейными искажениями 6%.

http://news.elteh.ru/pics/32/lazarev_diag_5.gif
                                        

Рисунок 1.5

http://news.elteh.ru/pics/32/lazarev_diag_6.gif

http://news.elteh.ru/pics/32/lazarev_diag_6_1.gif

Рисунок 1.6

         Вопросы:

         1) В каких пределах может изменяться коэффициент глубины модуляции и почему?

         2) В каких случаях в электроприводе предпочтительно применение инвертора тока?

         3) В каких случаях в электроприводе предпочтительно применение инвертора напряжения?

 

        Лекция № 2. Структура систем управления преобразователями частоты

        Цель лекции: изучить основные законы частотного управления и структуру схем, реализующих эти законы.

        Частотное управление электродвигателями осуществляется двумя основными способами: по функциональной характеристике, связывающей напряжение и частоту статора электродвигателя - U/f - характеристике (скалярное управление) и векторным. Первый способ применяется для электроприводов, в которых отсутствуют особые требования к динамике. Второй способ применяется для электроприводов со средней и высокой динамикой.

         При скалярном управлении в преобразователе частоты реализуется заданный закон частотного управления. Для идеализированного электродвигателя, в котором можно пренебречь активным сопротивлением статора, основной закон изменения напряжения при частотном регулировании был установлен М.П.Костенко / 1/ и выражается формулой

                                         ,                                         

где  МС1  и МС2  – моменты статической нагрузки, соответствующие работе  двигателя при частотах f1 и f2;

U11, U12 - напряжение на двигателе при тех же частотах.

           Если закон изменения момента заранее известен, то можно определить требуемое соотношение между напряжением и частотой на выходе инвертора.

         При постоянстве момента статической нагрузки напряжение источника питания должно изменяться пропорционально его частоте. В этом случае для идеализированного двигателя сохраняется перегрузочная способность (Мк=const) и закон изменения напряжения примет вид:

                                                 U1/ f1 = const.                                              

         При постоянстве мощности на валу двигателя в процессе регулирования скорости закон изменения напряжения:

                                                U1/= const.                                                

         При вентиляторной нагрузке напряжение на статоре должно изменяться по закону:

                                                 U1/f12=  const.                                              


          Механические характеристики для этих трех случаев представлены на рисунке 2.1

                                         

Рисунок 2.1

          Перечисленные режимы управления достаточны для большинства применений. Вместе с тем для повышения качества управления приводом требуется использование других более совершенных методов управления. К ним относятся метод управления потокосцеплением (Flux Current Control – FCC) и метод бессенсорного векторного управления (Sensorless Vektor Control – SVC). Оба метода базируются на использовании адаптивной модели электродвигателя, которая строится с помощью специализированного вычислительного устройства, входящего в состав системы управления преобразователя.

        Наиболее точное и эффективное управление обеспечивает режим векторного управления без датчика обратной связи по скорости (SVC). Если в двигателях постоянного тока имеются две обмотки ( возбуждения и якорная), что позволяет управлять раздельно магнитным потоком (ток возбуждения) и электромагнитным моментом (ток якоря), то в двигателях переменного тока с короткозамкнутым ротором имеется всего лишь одна статорная обмотка, ток через которую формирует возбуждающее магнитное поле и определяет вращающий момент. С этим и связаны все трудности управления электродвигателем. Выход остается один: необходимо управлять амплитудой и фазой статорного тока, то есть его вектором. Однако для управления фазой тока, а значит, и фазой магнитного поля статора относительно вращающегося ротора необходимо знать точное положение ротора в любой момент времени. Эта задача может быть решена с использованием датчика положения, например, шифратора приращений. В такой конфигурации привод переменного тока по качеству регулирования становится сопоставимым с приводом постоянного тока. Но в составе большинства стандартных электродвигателей переменного тока встроенные датчики положения отсутствуют, поскольку их введение неизбежно ведет к усложнению конструкции двигателя и существенному повышению его стоимости.

          Применение же современной технологии векторного управления позволяет обойти это ограничение путем использования математической адаптивной модели двигателя для предсказания положения ротора. При этом система управления должна с высокой точностью измерять значение выходных токов и напряжений, обеспечивать расчет параметров двигателя (сопротивление статора, значение индуктивности рассеяния и т.д.), точно моделировать тепловые характеристики двигателя, сообразовывать параметры двигателя с различными режимами его работы, осуществлять большой объем вычислений с очень высокой скоростью. Последнее обеспечивается применением в составе системы управления преобразователя специализированных интегральных схем ASIC (Applications Specific Integrated Circuit).

          Векторное управление без датчиков обратной связи по скорости позволяет обеспечить динамические погрешности, характерные для регулируемого привода с замкнутой обратной связью. Однако полное управление моментом при скорости, близкой к нулевой, невозможно без обратной связи по скорости. Такая обратная связь становится необходимой и для достижения погрешности регулирования менее 1%. Контур обратной связи при этом легко реализуется с помощью самого преобразователя частоты.

          Вместе с тем, режим векторного управления не может быть реализован для синхронных электродвигателей, для группы параллельно включенных двигателей, а также для двигателей номинальная мощность которых меньше половины мощности преобразователя частоты или превышает ее.

         На рисунках. 2.1-2.6 приведены функциональные схемы систем управления электроприводами, в которых использованы описанные способы. Все модули функциональных схем реализуются программно на контроллере привода. В соответствии с этим имеется набор типовых программных модулей и программ связки модулей, обеспечивающих реализацию нужной системы управления.

         Управление по U/f – характеристике может быть реализовано в системах управления одним или несколькими асинхронными электродвигателями  без датчика обратной связи по скорости и с датчиком обратной связи по скорости. Наиболее простой является система управления, в которой отсутствуют датчики скорости (см. рисунок 2.1). Она применяется в приводах насосов, вентиляторов, в транспортных средствах при ограниченном диапазоне регулирования скорости (до 1:10).

         Для поддержания постоянства потокосцепления статора в соответствии с U/f -характеристикой применяются модули I/R -компенсации и Ud -коррекции. Повышение жесткости механической характеристики электропривода при изменении нагрузки достигается с помощью модуля компенсации скольжения (КС).

         В системе управления предусматриваются выбор U/f   -характеристики, соответствующей управлению механизмами, имеющими постоянную или вентиляторную нагрузку.

        Для электроприводов механизмов, в которых диапазон регулирования скорости больше 1:10, применяются системы регулирования с датчиками и регуляторами скорости       

         Векторное управление реализовано в системе управления асинхронным электродвигателем, функциональная схема которой показана на рисунке 2.2.         В механизмах с большим диапазоном регулирования скорости применяется система управления с датчиком скорости. Динамические характеристики таких электроприводов аналогичны динамическим характеристикам электроприводов постоянного тока. Достигается это управлением составляющими Iω  и Iµ   вектора тока, первая из которых пропорциональна моменту двигателя, а вторая – потокосцеплению. Величины Iω и Iµ оцениваются по динамической модели двигателя, составленной представлением мгновенных значений переменных в виде результирующих векторов и переходом к вращающимся системам координат. В системе предусматривается возможность ограничивать момент двигателя в соответствии с заданным значением и управлять интенсивностью изменения момента.

Рисунок 2.1

           Вариант векторного управления электропривода без датчика скорости применяется в производственных механизмах при диапазоне регулирования скорости, не превышающем 1:10 (например, в экструдерах и вентиляторах большой мощности, в транспортных и подъемных механизмах, центрифугах).

                                                 Рисунок 2.2

          В частотно-регулируемых электроприводах фирмы АВВ используется технология прямого управления моментами (технология DTC). Она позволяет управлять двигателем без импульсного датчика скорости. В результате применения мощного цифрового сигнального процессора система быстро реагирует на изменения нагрузки, меняя момент на валу двигателя, чем повышается качество управления.

         Вопросы:

         1) В  каких случаях применяется закон-U/ f2?

         2) В  каких случаях применяется закон- U/ f ?

         3) Какие физические принципы положены в основу векторного управления?

            Лекция №3. Системы управления ЧРП с технологической обратной связью

 

          Цель лекции: изучить методы настройки ПИД-регулятора,

        

          В настоящее время  современное промышленное производство не  обходится без автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). При этом в большинстве случаев система стабилизации технологического параметра, имеющих в своем составе преобразователь частоты, строится на основе пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора,  на входы которого подаются сигнал задания  и сигнал с датчика регулируемого параметра. ПИД регулятор формирует сигнал для преобразователя частоты (ПЧ), который за счет изменения скорости электродвигателя (М) поддерживает управляемую величину равную заданной (см. рисунок 3.1).  В качестве внешнего параметра может использоваться давление, температура, мощность и др. При этом ПИД регулятор может быть встроенным в систему управления ПЧ, используя ресурс внутреннего контроллера или реализован с помощью внешнего контроллера.

 


                                    

                                              

Рисунок 3.1

Выходной сигнал регулятора u(t) определяется тремя слагаемыми:

  ,

где Кp, Кi, Кd — коэффициенты усиления пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих регулятора, соответственно (см. рисунок 3.2).

         Пропорциональная составляющая вырабатывает выходной сигнал, противодействующий отклонению регулируемой величины от заданного значения, наблюдаемому в данный момент времени. Он тем больше, чем больше это отклонение.

                                                                            

Рисунок 3.2ная составляющая пропорциональна интегралу от отклонения регулируемой величины. Её используют для устранения статической ошибки.

Иными словами сигнал управления, который вырабатывает регулятор, определяется тем, насколько велико рассогласование (пропорциональная компонента), насколько долго сохраняется рассогласование (интегральная компонента) и наконец, как быстро изменяется рассогласование (дифференциальная компонента). Качество управления, которое обеспечивает ПИД регулятор, в значительной степени зависит от того, насколько хорошо выбранные параметры регулятора соответствуют свойствам системы. Несмотря на широкое распространение, данный вид регуляторов является не простым в настройке, так как необходимо осуществлять поиск по трем параметрам: пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющим.

          Существует много различных методик настройки ПИД регуляторов. В основе большинства из них лежит анализ переходной характеристики.        Все аналитические методы настройки регуляторов основаны на аппроксимации динамики объекта моделью первого или второго порядка с задержкой. Причиной этого является невозможность аналитического решения систем уравнений, которое необходимо при использовании моделей более высокого порядка.

         Наиболее известными и простыми методами настройки параметров регуляторов являются методы Циглера-Никольса. Циглер и Никольс предложили два метода настройки ПИД регуляторов. Один из них основан на параметрах отклика объекта на единичный скачок, второй на частотных характеристиках объекта управления.

          Для расчёта параметров ПИД_регулятора по первому методу Циглера-Никольса используются всего два параметра: a и L (см. рисунок 3.3) [5].          В случае, когда переходный процесс описывается моделью первого порядка с задержкой, его длительность нельзя характеризовать одним параметром "постоянная времени", как для процессов без задержки. Поэтому используется понятие "средняя длительность переходного процесса", которое определяется как

                                                Tср= T +L,

где T- постоянная времени;

L- транспортная задержка.

          Используя понятие средней длительности переходного процесса, можно сформулировать один из вариантов критерия, при котором кривые объекта и модели первого порядка можно считать приблизительно совпадающими. Это условие состоит в пересечении переходных характеристик модели и объекта на уровне 1-exp(-1)=0,63. Поскольку в точке пересечения в уравнении (t-L)/T=1, отсюда можно получить, что абсцисса точки пересечения t равна L+T=t. В этом уравнении два неизвестных: L и T. Для определения L проводят касательную в точке максимального угла наклона, (см. рисунок 3.3). При этом задержка L должна определяться в точке пересечения касательной с осью времени. Формулы для расчёта коэффициентов ПИД-регулятора сведены в таблице 3.1.

             

              Таблица 3.1- Формулы для расчета коэффициентов 

Регулятор

 Расчет по отклику на скачок

   К

    Тi

    Td

   П

  1/α

    -

       -

   ПИ

  0,9

 3L/K

       -

   ПИД

 1,2/α

 0,9L/K

  0,5L/K

         Пакет Nonlinear Control Design (NCD) программы Simulink NCD, используя эти методы, обеспечивает автоматизированную настройку ПИД регулятора под заданные требования системы управления [7].

         Таким образом для наиболее ответственных контуров регулирования можно рекомендовать применение ПИД регулятора, обеспечивающего наиболее высокое быстродействие в системе. Однако следует учитывать, что это условие выполняется только при его оптимальных настройках (настраиваются три параметра).

         С увеличением запаздывания в системе резко возрастают отрицательные фазовые сдвиги, что снижает эффект действия дифференциальной составляющей регулятора. Поэтому качество работы ПИД-регулятора для систем с большим запаздыванием становится сравнимо с качеством работы ПИ-регулятора. Кроме этого, наличие шумов в канале измерения в системе с ПИД регулятором приводит к значительным случайным колебаниям управляющего сигнала регулятора, что увеличивает дисперсию  ошибки   регулирования и износ   исполнительного     механизма.

              

        

                                                   

                                                     Рисунок 3.3

Поэтому ПИД регулятор следует выбирать для систем регулирования с относительно малым уровнем шумов и величиной запаздывания в объекте управления.

         Следует иметь в виду, что при неточном задании коэффициентов настройки ПИД регулятор может иметь худшие показатели, чем двух позиционный регулятор и даже перейти в режим автоколебаний.

         В последние годы в связи с появлением мощных контроллеров и персональных компьютеров получили развитие и распространение численные методы оптимизации. Они являются гибким инструментом оптимальной настройки параметров регулятора для моделей любой сложности и учитывают нелинейности объекта управления.

         Обычно система для настройки ПИД регулятора состоит из компьютера с программным обеспечением  Windows, комплекта модулей “ввода-вывода” и соединительных кабелей. Объект включается в контур регулирования, система настраивается желаемым способом, затем полученные коэффициенты регулятора записываются в ПИД - контроллер. Благодаря удобному пользовательскому интерфейсу, большой производительности компьютера и отсутствию ограничений на алгоритмы идентификации системы, удаётся получить параметры регулятора близкие к оптимальным.  Подавляющее большинство программ настройки использует модель первого порядка с задержкой для описания объекта регулирования.

         Вопросы:

         1)  В каких случаях применяется ПИД- регулятор?

         2)  На чем основаны методы Циглера- Никольса?

          3) На чем основаны  современные методы настройки ПИД- регулятора?

Лекция № 4. Автоматизация насосных станций на базе ЧРП

       Цель лекции: энергосберегающий электропривод насосных станций на основе ЧРП.

          Вопросы энергосбережения, улучшения показателей качества технологических процессов в последние годы весьма актуальны и требуют грамотных научно-технических решений. В существующих условиях доля электрической энергии, потребляемой электродвигателями насосов, достигает 70% от затрат на доставку воды потребителям. Системы водоснабжения - это достаточно сложный комплекс взаимосвязанных по параметрам и режимам работы специальных сооружений, обеспечивающий с необходимой надежностью забор воды из источников водоснабжения, ее обработку, аккумулирование и хранение, подачу к месту потребления, а также распределение доставленной к объекту воды между ее потребителями.

         Одним из основных элементов систем водоснабжения являются насосные станции (НС), в которых осуществляется преобразование электрической энергии в механическую энергию потока жидкости и управление этим процессом преобразования. Преимущественное использование здесь получи­ли насосы центробежного типа.

            Для обеспечения требуемых технологических показателей используется параллельное, последовательное и комбинированное соединение насосов. Наиболее характерным является параллельное соединение, применяемое на большинстве типов НС. Последовательное соединение применяется в тех случаях, когда необходимо создать достаточно высокое давление в системе. Регулирование  подачи  насосов  применяют при  необходимости  регулирования  количества  жидкости,  подаваемой    насосом,  в  связи  с  требованиями  технологического  процесса  или  в  связи  со  случайным  изменением потребности в жидкости.

         Обычно  насосы  оснащаются  нерегулируемым асинхронным электроприводом, а регулирование подачи (расхода) осуществляются  дросселированием  на  стороне  нагнетания, что приводит к значительным потерям энергии на регулирующем органе (задвижке). Прикрывая или открывая за­твор, изменяют крутизну ха­рактеристики Q—Н трубопро­вода (см. рисунок 4.1), которая зави­сит от его гидравлического со­противления. Прикрывая за­твор, увеличивают крутизну характеристики трубопровода, при этом рабочая точка насоса А1 перемещается в положение А2. В этом случае подача умень­шается до значения Q2, напор, развиваемый насосом, возраста­ет до значения Н2, а напор на трубопроводе за затвором снижа­ется до значения H'2. Снижение напора за затвором происходит за счет потерь напора ΔH в затворе. Увеличивая степень открытия затвора, уменьшают крутизну характеристики трубопровода. Вследствие этого подача увели­чивается, напор, развиваемый насосом, уменьшается, а напор в трубопроводе за затвором возрастает. Этот способ регулирова­ния, именуемый дросселированием, считается малоэкономичным, так как на преодоление дополнительного гидравлического сопротивления в затворе требуются дополнительные затраты энергии. Более экономичным способом регулирования является изменение частоты вращения насосов. При изменении частоты вращения насоса изменяется положение характеристики Q—Н насоса. Уменьшая частоту вращения, перемещают характеристику Q—Н вниз, параллельно самой себе. При этом рабочая точка, перемещаясь по характеристике трубопровода, занимает положение А2’, следовательно, по­дача уменьшается так же, как и напор в сети и напор, развива­емый насосом. Увеличение частоты вращения увеличивает подачу и напор насоса, а также напор в сети. Этот способ регулирования более экономичен, но требует применения специального регулируе­мого электропривода. Поскольку насосы оснащены асинхронным электродвигателем, то наиболее приемлемым решением является применение преобразователя частоты (ЧРП). В этом случае задвижка на стороне нагнетания остается полностью открытой.

          На рисунке 4.2 приведены (в о.е.) зависимости потребляемой насосом мощности  при нерегулируемом приводе (1),   при регулируемом приводе (2) от подачи (разбора) воды. Кривая (3), определяемая графической  разностью,

Рисунок 4.1. Регулирование режима работы центробежного насоса

характеризует мощность, сэкономленную в случае установки регулируемого привода. В зависимости от статического напора НСТ экономия электроэнергии может составлять до 30% от установленной мощности двигателя.


Рисунок 4.2

Внедрение ЧРП на насосных станциях позволит существенно снизить потребляемую электроприводом электроэнергию. Также следует отметить такие технико-экономические показатели ЧРП,  как плавный пуск насосов (отсутствие гидравлических ударов в трубопроводе, снижение напора), высокая надежность работы насосных агрегатов, автоматизация и диспетчерское управление, полная электрическая защита электродвигателя и т.д., что в отдельных случаях имеет особое значение по отношению к прямой экономии. Регулируемый электропривод позволяет оптимизировать характеристики трубопроводной сети (давление, расход или температура) в соответствии   с   текущими    требованиями,   экономию  тепла в   системах

Рис.3

Рисунок 4.3. Функциональная схема автоматизированной  насосной станции

горячего водоснабжения за счет снижения потерь и постоянной циркуляции воды, продлить ресурс теплофикационного и электротехнического оборудования, уменьшить затраты на ремонтные работы. Повсеместное использование преобразователей частоты на насосном оборудовании показало существенное влияние множества особенностей технологических систем и их эксплуатации на величину получаемого эффекта. Уровень автоматизации и диспетчерское управление ЧРП зависят от реальных требований технологического процесса, удаленности объекта, наличия и количества обслуживающего персонала, финансовых возможностей заказчика и др. Наиболее выгодная конфигурация в станциях, имеющих 3-5 насосов, основывается на использовании одного преобразователя частоты, с помощью которого последовательно могут запускаться все насосы, при этом  один остается в регулируемом режиме по частоте вращения.

На рисунке 4.3 приведена функциональная схема подобной автоматизированной насосной станции, которая отражает типовое построение станции группового управления электродвигателями на базе преобразователя частоты и логического контроллера.  

Вопросы:

1) В чем заключаются преимущества применения ЧРП в насосных станциях?

2) Как изменяются характеристики насоса при регулировании частоты вращения?

        Лекция № 5. Регулируемый электропривод воздуходувных установок

         Цель лекции: энергетическая эффективность применения ЧРП в тягодутьевых механизмах ТЭЦ.

         Основным назначением тягодутьевых механизмов (ТДМ) является поддержание оптимального режима горения в топке котла.

Как правило, система автоматического регулирования ТДМ должна поддерживать заданную величину разряжения в топке котла независимо от производительности котлоагрегата.. С увеличением подачи топлива дутьевой вентилятор должен увеличить подачу воздуха в топку котла, а вентилятор дымососа одновременно увеличить отсос продуктов горения. Таким   образом, производительности дымососа и дутьевого вентилятора должны регулироваться.

Технико-экономическая целесообразность применения регу­лируемого  электропривода ТДМ зависит от схемы сети, графика нагрузок агрегата, характеристик тепломеханического и электротехнического оборудования и его стоимости, цен и изменения издержек на топливо и других факторов.

          Оценим энергетический выигрыш от применения для ТДМ регулируемого электропривода. Параметрами аэроди­намических характеристик ТДМ являются производитель­ность, полное давление Н, потребляемая мощность или мощность на валу N   и КПД механизма.

          В условиях квадратичного тракта В = К QВ ) теоре­тически наилучшим способом изменения производитель­ности ТДМ является плавное регулирование  частоты  вращения. При этом производительность, давление и мощность механизма изменяются пропорционально первой, второй и третьей степе­ням отношения к частоте вращения.

        Следует отметить, что лишь для котлоагрегатов, работаю­щих под наддувом при применении современного регулиро­вания дутья, изменение нагрузки агрегата NВ и расхода дутьевого воздуха QВ в первом приближении происходит пропорционально и    однозначно. На характер зависимости QВ = f(NВ) влияют погодные факторы, заносы по трак­ту, изменения влажности и сортности топлива и т.д., которые превращают зависимость QВ = f(NВ) в область возмож­ных значений, т.е. делают ее неоднозначной. Срав­нение экономичности ТДМ при разных способах регулиро­вания производится на основе анализа зависимостей эксплуа­тационного КПД от производительности:

                                    ηЭ = f ( QВ ,/ QВ.исх)

или с помощью зависимостей

                                NВ / NВ. исх = f ( QВ ,/ QВ.исх),

 построенных для квадратичных трактов.

         Экономичность выбранного варианта привода ТДМ харак­теризуется значением КПД установки hуст, определяемым по формуле:

                                   hуст  = hНАэ  ηЭЛ ,

hНАэ  - эксплуатационный КПД механизма;

hЭЛ- КПД электропривода.

          При этом эксплуатационный КПД при регулировании произ­водительности ТДМ с помощью направляющего аппарата может быть найден из соотношения:

                                   hНАэ  = hНАэ  ηрегhисх ,

где hрег - КПД регулирования, зависящий от глубины регу­лирования и типа ТДМ, а также положения ис­ходного режима на дроссельной характеристике механизма;

hисх - КПД механизма на исходном режиме (в точке пересечения характеристик механизма и соп­ряженного тракта при выключенном регулирова­нии).

          При этом для квадратичного тракта:

                           hрег   =  ( QВ ,/ QВ.исх)3 /  (NВ / NВ. исх ),

где: QB-производительность механизма- м3 /ч;

QВ исх.- производительность механизма в точке пересечения характеристики механизма и характеристики сети;

 NB, NВ исх - соответственно, мощность-кВт.

          Электрическая мощность, потребляемая из сети при идеаль­ном  регулировании, в кВт, определяется по формуле:

                            ,

QB - производительность механизма- м3 /ч;

HB – давление (напор) вентилятора- кгс/м2.

Мощность, потребляемая из сети штатным электроприво­дом ТДМ с учетом наличия направляющего аппарата, в кВт, определяется по формуле:

                                          ,                                           

 где hэл- КПД электродвигателя.

          Мощность, потребляемая из сети регулируемым электро­приводом ТДМкВт):                             

                                         ,                                    

где hпр - КПД регулируемого электропривода;

hв - КПД механизма при оптимальном открытии направ­ляющего аппарата.    Экономия мощности при работе регулируемого электропри­вода определяется по формуле

                                           N = N2N3

         Поскольку продолжительность работы на том или ином режиме задается диспетчерским графиком нагрузки, то в зависимости от режима и требований системы в течение суток она может непрерывно меняться.       На рисунке 5.2 изображена гистограмма, показывающая потребление электроэнергии тягодутьевыми механизмами при регулировании потока воздуха шибером (красные столбцы) и  регулировании с помощью ЧРП (синие столбцы), которая показывает эффективность экономии электроэнергии. По ней видно, что экономия мощности может составлять до 40%.

         На рисунке 5.3 представлен вариант функциональной схемы автоматизации тягодутьевых механизмов на базе  частотно- регулируемого привода.

         Систему регулирования тягодутьевых машин можно разделить на два независимых контура:

        - контур регулирования дутьевого вентилятора. В данном контуре частота вращения регулируется ПИД-регулятором поддержания давления воздуха перед горелкой. Необходимое давление воздуха вычисляется по значению давления топлива и температуре подаваемого воздуха. Так же, зачастую, производится корректировка уставки давления по содержанию кислорода в уходящих дымовых газах, которая контролируется датчиком (5). Вычисление производится в контроллере блока автоматического управления, согласно режимной карте котла, и задающий сигнал поступает на преобразователь частоты дутьевого вентилятора;

       - контур регулирования дымососа. В данном контуре задействован датчик разряжения в топке. По его сигналу ПИД-регулятор блока автоматического управления поддерживает постоянное разряжение в топке,       

посылая управляющий сигнал на преобразователь частоты дымососа. Для упрощения схемы можно задействовать для регулирования ПИД-регулятор преобразователя частоты, выведя на аналоговый вход ПЧ сигнал с датчика разряжения.

         В контуре регулирования давления может быть использован встроенный в ЧРП ПИД-регулятор, который обеспечивает необходимое  давление воздуха перед горелкой. Давление воздуха вычисляется по значению давления топлива и температуре подаваемого воздуха. Вычисление производится в контроллере блока автоматического управления (см.рисунок 5.3), согласно режимной карте котла, при этом формируется  задающий сигнал  на преобразователь частоты дутьевого вентилятора.

Рисунок 5.2. Гистограмма потребления электроэнергии тягодутьевыми устройствами

1- датчик избыточного давления; 2- датчик разряжения в топке котла; 3- датчик температуры воздуха; 4- датчик избыточного давления; 5- датчик содержания кислорода; 6- котел; 7- горелка; 8- топливо; 9- вентилятор дутьевой; 10-направляющий аппарат; 11- двигатель; 12- преобразователь частоты; 13- блок управления; 14- дымосос.

Рисунок 5.3

     

          Вопросы:

          1) Каким образом достигается экономия электроэнергии в ТДМ?

           2) На какие контуры делится система автоматического регулирования  ТДМ?

         Лекция №6. Частотно-регулируемый электропривод в металлорежущих станках

 

          Цель лекции:  изучить вопросы применения ЧРП в металлорежущих станках.

         Современный этап развития металлообрабатывающих станков характеризуется началом внедрения электроприводов переменного тока в механизмы главного движения и подачи. Опыт их эксплуатации позволяет  по-новому рассмотреть рациональную компоновку, технологию обработки на станках, и, соответственно, выявить дополнительные преимущества.

         Приводы переменного тока, хотя в принципе и остались более сложными, но во многих случаях они не только конкурентоспособны, но и более предпочтительны в сравнении с системами постоянного тока. Это связано с тем, что по техническим характеристикам приводы переменного тока не только не уступают, но даже превосходят приводы постоянного тока.

         Среди АСУТП металлообработкой наибольшее распространение получили системы стабилизации режимов резания. Схемы  отличаются друг от друга составом контролируемых параметров, а также принципами построения автоматических регуляторов технологических процессов. Ниже рассматривается одна из типовых систем.

        Система стабилизации мощности резания дает возможность повысить производительность станка, улучшить использование главного привода и режущего инструмента. Применение систем стабилизации мощности резания необходимо при точении (стабилизация мощности резания при торцовой обработке), шлифовании (стабилизация мощности резания при износе круга, изменении диаметра обработки в станках с круглым столом), фрезеровании (стабилизация мощности резания при изменении глубины обработки).

        Стабилизация мощности резания может осуществляться двумя путями: за счет управления скоростью электропривода главного движения и за счет управления скоростью привода подачи. В принципе возможен вариант одновременного управления обоими электроприводами.

        Непосредственное измерение мощности резания невозможно, поэтому для ее оценки измеряют мощность, потребляемую электроприводом главного движения, с учетом потерь мощности в двигателе и передачах станка. Применение для главного привода станков асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором требует получения сигнала управления, пропорционального активной мощности, потребляемой из сети этими двигателями. Датчики, вырабатывающие эти сигналы, строятся на принципах векторного суммирования напряжений с применением нелинейных функциональных элементов и методов время-импульсной, амплитудной, а также широтно-импульсной модуляции.             

      

Рисунок 6.1

          Управление мощностью Рр и усилием Fр резания осуществляется с помощью электроприводов шпинделя и подач (ЭПШ и ЭПП) (см.рисунок 6.1) при изменении глубины резания h и свойств материала (твердости материала НВ). Стабилизируя мощность резания, следует иметь в виду, что Рр =Fpvp. Если осуществляется стабилизация скорости vp, то выполнить условие Рр = const можно соблюдением условия Fp = const. Таким образом, стабилизируя переменные vp и Fp при изменении переменных h и НВ, можно считать, что стабилизируем и сам процесс резания (ПР).

         Автоматическая стабилизация мощности (усилия) резания возможна, если применить нелинейную обратную связь, действие которой начинается после превышения мощностью некоторого значения Рро, соответствующего рабочему режиму резания. При условии Рр > Рро на выходе нелинейного элемента НЭ и регулятора мощности РМ появляется сигнал коррекции Sк, уменьшающий подачу S так, чтобы Рр= const. Регулятор мощности обеспечивает требуемую динамику процесса стабилизации.

         В процессе фрезерования может изменяться глубина и ширина обработки, твердость обрабатываемого металла, происходит износ  режущего инструмента. В результате изменяется мощность, затрачиваемая на обработку, и происходит занижение параметров фрезерования, что приводит к снижению производительности и повышению себестоимости металлообработки. В рассматриваемой системе с технологической обратной связью по мощности, воздействуя на привод подачи, стабилизируют мощность  при изменяющихся условиях процесса фрезерования [1]. На рисунке 6.2 представлена структурная схема стабилизации мощности фрезерования, в которой может быть применен  электропривод подачи по схеме преобразователь частоты – асинхронный двигатель с векторным управлением.

Wэп(р) – передаточная функция электропривода (ПЧ-АД); Wр(р) – передаточная функция процесса обработки; Wдм(р) – передаточная функция датчика мощности; Wк(р) – передаточная функция корректирующего звена; WH (p)- нелинейное звено; Кпм – коэффициент передачи редуктора; V-скорость резания; tp- глубина фрезерования; В – ширина фрезерования.

                                     Рисунок 6.2

Если рассматривать процесс как безынерционный и стационарный, то он может быть описан эмпирической зависимостью выходной координаты – усилия резания Fz от входных координат – глубины фрезерования tр, подачи на один зуб фрезы Sz, ширины фрезерования В и скорости резания V:

,                             

где   СFz, XFz, YFz –  по справочнику [3];

Dф – диаметр фрезы, мм;

В – ширина фрезерования;

Zф – число зубьев.

Мощность резания

.       

        Скорость резания при фрезеровании

.     


        Схема модели процесса резания представлена на рисунке 6.3.

           

Рисунок 6.3

          Передаточная функция процесса фрезерования при условии равномерности может быть представлена следующим образом

,                                          

          Кр – рассчитывается для заданного типа фрезы и обрабатываемого материала .

          Тр – для заданной частоты вращения шпинделя выбирается по справочнику.

Cр', Ср' ', - коэффициенты;

 n, i, Xp, Yp, q - показатели степени для заданного процесса металлообработки.

           Датчик мощности

.

           Узел технологической обратной связи

  при 

                            при   ,                       

где Uк, Uср - напряжения коррекции и сравнения.

           Устройство упреждающей коррекции

  ,                         

Кпм  - коэффициент передачи механизма подачи;

Кдм – коэффициент усиления датчика мощности.

       Вопросы:

          1) Какие преимущества дает применение системы стабилизации мощности в металлообработке?

          2) Каким образом осуществляется управление мощностью и усилием резания?

         Лекция7. ЧРП транспортирующих механизмов

 

          Цель лекции: изучить вопросы применения ЧРП в транспортирующих механизмах.

           Конвейеры широко применяются в различных отраслях промышленности для перемещения сыпучих и штучных грузов.

          Для перевозки людей используют разновидность конвейера – эскалатор. Канатная дорога является разновидностью подвесного конвейера.

           Режим работы приводных двигателей конвейеров – продолжительный с редкими пусками и остановками при диапазоне регулирования скорости, не превышающим 1:2,1:3.

           К электроприводам механизмов транспортных средств с непрерывным режимом работы предъявляются требования по обеспечению плавности пуска и торможения с надежным ограничением ускорения и рывка, а также максимального момента двигателя и его производной. Для канатных и ленточных конвейеров большой протяженности это требование обусловлено наличием больших масс поступательно движущихся элементов, приведенный момент инерции которых может в 10…20 раз превышать момент двигателей, и значительной податливостью тянущих канатов и транспортной ленты.

         Большие маховые массы установки увеличивают возможность пробуксовывания приводных барабанов и шкивов относительно лент и канатов при пуске. Резкое приложение момента при наличии упругих механических связей вызывает механические колебания при пуске, в результате чего в ленте или канате возникают дополнительные динамические усилия. Требование плавности пуска и замедления остается в силе и для установок с коротким тяговым элементом. В одних случаях ограничение ускорения и рывка до требуемых норм диктуется условиями транспортирования людей (эскалаторы, канатные дороги), в других – условием надежного сцепления транспортируемых изделий с лентой (ленточные конвейеры) или уменьшением раскачивания люлек и кабин (подвесные конвейеры).

          При конвейерах большой длины с многодвигательным электроприводом ставится задача автоматического регулирования отдельных двигателей с целью перераспределения нагрузки между ними и обеспечения равномерности натяжения ленты по ее длине. Это относится как к работе с установившейся скоростью движения ленты, так и к процессу пуска конвейера. При параллельном включении двигателей, имеющих равные скорости идеального холостого хода и связанных общим механическим валом, нагрузка между ними распределяется пропорционально модулю жесткости их механических характеристик [3]. Для двухдвигательного привода моменты первого и второго двигателей:

,

где    и       - модули жесткости механических характеристик первого и второго двигателей;

Мст – результирующий момент сопротивления приводной станции.

         Если каждый из двух двигателей выбран на номинальный момент Мном=0,5Мст, двигатель с большим значением     оказывается перегруженным. При длительном режиме работы даже небольшая перегрузка может вывести из строя двигатель, поэтому важно обеспечить условие. Для выполнения этого условия применяют строго идентичные по исполнению, мощности и скорости двигатели. Если жесткости их характеристик все же различаются, то, например, у асинхронных двигателей с фазным ротором более жесткая характеристика смягчается введением в роторную цепь дополнительного сопротивления.

          Рассмотрим работу конвейера, имеющего три электродвигателя. На рисунке 7.1 представлена диаграмма тяговых усилий ленточного конвейера с электродвигателями М1, М2, М3 и натяжным устройством Б.

          При одинаковой загрузке ветвей конвейера все двигатели (если их характеристики одинаковы) имеют равные скорости и нагрузку. Увеличение нагрузки на ветвь I приведет к тому, что в первую очередь снизится скорость

Рисунок 7.1

двигателя М1, а скорость двигателей М2 и М3 останется постоянной. Таким образом, двигатель М2 будет вращаться со скоростью, большей чем у двигателя М1, и создаст дополнительное натяжение в ветви II, а затем и в ветви I. Натяжение ветви II повлечет за собой некоторую разгрузку двигателя М1 и увеличение его скорости. Такие же процессы будут иметь место и в ветви II, так как двигатель М3 примет на себя часть нагрузки ветви II конвейера. Постепенно скорости и нагрузки двигателей выравниваются.  Все перечисленные требования определяют выбор системы электропривода для данной группы механизмов.

          Рассмотрим пример автоматизации конвейера на базе ЧРП [3]. Движение ленте конвейера или транспортера, как правило, передается от асинхронного двигателя через редуктор и приводной барабан. Момент на валу приводного двигателя конвейера:

                                            M = FR / (ipηp),

где F -  усилие на приводном барабане,

F = Fx.x+ Fг (Fx.x – усилие, затрачиваемое на перемещение ленты конвейера или транспортера);

Fг – усилие, необходимое на перемещение груза;

 R – радиус приводного барабана;

iр – передаточное отношение редуктора;

ηp  - КПД редуктора.

          Когда груз на ленте конвейера отсутствует, двигатель развивает момент холостого хода

                                       Мх.х=Fх.хR/ipηр.х.х,

где ηр.х.х –КПД редуктора, соответствующий усилию Fх.х .

        При постоянной номинальной скорости конвейера V*=1

                                             Q*= Fг*,

поэтому потребляемую с вала двигателя мощность можно записать в виде

                                   P*=M*ω*=Мх.х + (1- Мх.х*)Q*                                       

где Р*=P/Pном=1; ω*=ω/ωн;  ω=Vip/R;

Рном, ωном – номинальные соответственно мощность и угловая скорость на валу двигателя.

          Из формулы следует, что по мере снижения производительности эффективность работы конвейера уменьшается, так как возрастает относительная доля мощности, расходуемой на преодоление момента холостого хода Мх.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  угловая скорость в этом случае должна изменяться по закону ω*=V*=Q*.

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

                                          

                                             Р*=Mх.х*(1-Q*).                                                  

         При этом 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 ЧРП ленточного конвейера, в сравнении с нерегулируемым электроприводом, было вычислено относительное потребление электрической энергии при транспортировании груза одинакового объема системами с нерегулируемым электроприводом и с частотно-регулируемым электроприводом, обеспечивающим плавное регулирование скорости ленты конвейера. Сравнение проводилось также с двухскоростным электроприводом с различным соотношением номинальных угловых скоростей, равным 1:2 и 1:3, обеспечивающим дискретное регулирование линейной скорости ленты конвейера.

         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. Из анализа данных следует, что применение плавного регулирования линейной скорости ленты, с помощью ЧРП, 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 ЧРП 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.  

        Вопросы:

        1) В чем заключается необходимость плавного пуска конвейера?

        2) Какие основные проблемы возникают в многодвигательном электроприводе конвейеров?

        

          Лекция №8. Автоматизация нагнетателей компрессорных  станций магистральных газопроводов на базе ЧРП

 

          Цель лекции: энергетическая эффективность применения ЧРП в турбокомпрессорах.

   Газоперекачивающие агрегаты (ГПА)- это мощные турбокомпрессоры, предназначенные для повышения давления и транспортирования газа по магистральным трубопроводам. Мощность турбокомпрессоров достигает 25000 кВт. 

   Все турбокомпрессорные машины (ТМ) являются быстроходными. Поэтому для привода турбокомпрессоров применяют, как правило, быстроходные электродвигатели с номинальной частотой вращения 3000 об/мин. В компрессорной станции (КС) это синхронные двигатели, между двигателями и компрессорами установлены  редукторы, повышающие частоту вращения до 8200 об/мин.

  Производительность существующих турбокомпрессоров регулируются в основном дросселированием на стороне нагнетания. Скорость приводного двигателя турбокомпрессора при этом остается постоянной, что приводит к значительным потерям в регулирующих элементах, избыточный расход энергии в этом случае оказывается весьма существенным. КПД турбомеханизма при этом снижается пропорционально степени регу­лирования производительности.

  Встречаются системы регулирования производительностью поворотом лопаток направляющего аппарата ГПА. Коэффициент полезного действия при регулировании этим методом заметно выше, чем при дросселировании. Однако применение направляющего аппарата существенно усложняет кон­струкцию турбокомпрессора и снижает его надежность. Поэтому указанный метод не получил широкого распространения в мировой практике. Для регулирования частоты вращения ГПА предлагаются системы с применением различных типов муфт скольжения, однако, и эти системы не могут конкурировать по вопросам энергосбережения с современными системами частотно – регулируемых приводов.

  Применение электроприводных ГПА требует эффективного регулирования их производительности в связи с неравномерностью подачи газа по магистральным газопроводам. Сезонные и посуточные колебания расхода газа являются неизбежными и происходят вследствие его неравномерного разбора, а также из-за пусков и остановов ГПА на удаленных компрессорных станциях, изменения потоков газа по отдельным газопроводам. Уменьшение расхода газа по газопроводу приводит к увеличению степени сжатия на всех работающих ГПА и, соответственно, росту энергозатрат в расчете на перекачку 1 м3. Поступающий же с более высоким давлением к потребителю газ, в свою очередь, приводит к увеличению потерь вследствие необходимости дросселирования в газораспределительной сети, т.е. у конечных потребителей газа.

         Регулируемые электроприводы, как правило, должны использоваться в составе систем автоматизированного управления режимами работы компрессорной станции, охватывающих регулируемые агрегаты. Если несколько электроприводных газоперекачивающих агрегата ( ЭГПА) подают газ в общую сеть, необходимо создание объединенной системы автоматизированного управления  режимами работы этих агрегатов, обеспечивающей оптимальное распределение нагрузки между ними.         

         Оснащать все ЭГПА регулируемым приводом нецелесообразно, так как это связано со значительными капитальными затратами. В то же время из ряда исследований установлено, что при однотипных  агрегатах регулируемым приводом достаточно оснастить 1/3 общего числа агрегатов.

         Для обеспечения экономичного режима работы компрессорных станций необходимо, чтобы ЭГПА работали с наиболее высоким КПД, что соответствует минимуму потребляемой мощности. Поэтому при выборе режимов функционирования группы ЭГПА, работающих совместно на магистраль, следует выполнить анализ энергетических характеристик для всех возможных сочетаний включения нагнетателей на наличие минимума энергопотребления.

        Характеристики нагнетателей обычно представляются в виде графических зависимостей степени сжатия (ε), мощности и КПД от производительности при постоянных значениях частоты  вращения рабочего колеса, плотности газа, протекающей через нагнетатель (см. рисунок 8.1). Они имеют  несколько отличительных точек. Начальная точка А характеристики соответствует работе при закрытой задвижке на напорном  патрубке (Q=0). В этом случае нагнетатель развивает давление H0  и потребляет мощность N0 . Потребляемая мощность в этом режиме работы составляет около 30% от номинальной и расходуется на механические потери и нагрев газа в нагнетателе. Оптимальная точка Б характеристики соответствует режиму работы при максимальном значении КПД.

        Максимальная точка В характеристик (конечная точка кривой Q - H) соответствует такому значению сжатия, после достижения которого насос может войти в помпажный режим.

         Поскольку газоперекачивающая станция включает в себя ряд агрегатов ГПА, работающих на общую сеть, то для обеспечения заданной производительности (расхода и давления) используют параллельное (для увеличения расхода), последовательное (для увеличения степени сжатия – повышения давления) или смешанное соединение отдельных агрегатов. Управление осуществляется на двух уровнях: агрегатном и цеховом. Цеховая АСУ, исходя из задания, текущего состояния агрегатов, параметров перекачиваемого газа, определяет схему соединений агрегатов, формирует задание частоты вращения на каждый агрегат.

        На рисунке 8.2 представлена компрессорная станция состоящая из пяти агрегатов, которые могут включаться параллельно и последовательно. В зависимости от характеристики сети и требуемых параметров на выходе изменяется схема соединения, количество работающих агрегатов.

 


    

 

             

                       

                     

                     

                         Рисунок 8.1 -Характеристики нагнетателя

1- центробежный нагнетатель; 2- резервный центробежный    нагнетатель; 3-  маги­стральный   газопровод;   4 - пылеуловители; 6маслосборник

Рисунок 8.2

         Каждый агрегат имеет агрегатную систему автоматического управления, обеспечивающую поддержание заданной частоты вращения, функции защиты, контроля и диагностики на уровне отдельного агрегата. Изменение схемы включения агрегатов обеспечивается соответствующими кранами (задвижками), управляемыми вручную или с помощью соответствующего привода.

 


Рисунок 8.3 – КПД нагнетателя при различной частоте вращения

         Схема соединения агрегатов, задание соответствующей скорости ГПА определяется цеховой системой регулирования с управляющей ЭВМ верхнего уровня у диспетчера.

         Применяя регулируемый привод, можно напрямую плавно управлять скоростью вращения нагнетателя и тем самым обеспечить требуемые значения производительности и давления без использования дросселирующей арматуры. Последняя устанавливается только для вспомогательных целей и в процессе перекачки полностью открыта, что снижает сопротивление сети.

         Еще одним фактором снижения снижения энергопотребления ТМ при регулировании производительности изменением частоты вращения рабочего колеса нагнетателя является следующее. Паспортное значение КПД нагнетателя получено при постоянной и равной номинальной частоте вращения. Любой способ снижения производительности при ω = const приводит к снижению ηЦН. На рисунке 8.3 представлены значения КПД при пониженных частотах вращения, полученные с использованием формул подобия. Максимум КПД со снижением ω смещается влево и незначительно падает. Из рисунка 8.4 очевидно, что для снижения подачи рационально работать на пониженных скоростях. При подаче Q* = 0.4 КПД ТМ при ω = const составляет 0.65 (точка b), при частотном регулировании возрастает до 0.8 (точка а).  Таким образом, снижение частоты вращения в соответствии с заданной производительностью позволяет не только исключить потери в регуляторе, но и повысить энергоэффективность за счет повышения КПД самого нагнетателя.

         

       Вопросы:

       1) Какие основные преимущества дает применение ЧРП в ГПА?

       2) Из каких факторов складывается экономический эффект применении ЧРП в ГПА?

 

Список литературы

1. Бернштейн А. Я., Гусяцкий Ю. М., Кудрявцев А. В., Сарбатов Р. С.; под редакцией Сарбатова Р. С. Тиристорные преобразователи частоты в электроприводе. - М.: Энергия, 1980. – 327 с., ил. 

2 Г.Г. Соколовский. Электропривод переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 272 с.

3. Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов Л.Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: Учебник для вузов. . – М.: Издательский центр «Академия», 2004 г. – 576 с.

4. Шапарев Н.К. Автоматизация типовых технологических процессов металлообработки. - Киев: Высшая школа, 1984.-312 с.

5. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый электропривод в насосных и воздуходувных установках. - М.:- Энергоатомиздат, 2006г.-360с.

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

7. Алексеев С.Б  Силовые преобразовательные устройства. Учебное пособие. -  Алматы: АИЭС, 2006 -90 с.

Содержание

Введение                                                                                                                    

Лекция№1. Принципы построения систем частотно-регулируемого электропривода                                                                                                         

Лекция № 2. Структура систем управления преобразователями частоты         

Лекция №3. Системы управления ЧРП с технологической обратной связью 

Лекция № 4. Автоматизация насосных станций на базе ЧРП                             

Лекция № 5. Регулируемый электропривод воздуходувных установок          

Лекция №6. Частотно-регулируемый электропривод в металлорежущих станках  Лекция № 7. ЧРП транспортирующих механизмов                                           

Лекция №8. Автоматизация нагнетателей компрессорных станций магистральных газопроводов на базе ЧРП                                                            

Список литературы                                                                                                  

Сводный план 2013  г., поз. 242

Сергей Борисович Алексеев

ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД в
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
Конспект лекций
для магистрантов специальности 6М071800 - Электроэнергетика

Редактор  Л.Т. Сластихина
Специалист по стандартизации  Н.К. Молдабекова

Подписано в печать ____
Формат 60х84 1/16              
Тираж 50 экз.
Бумага типографская № 1    
Объем  2,4 уч.-изд. л.
Заказ…. Цена 1200  тенге

Копировально-множительное бюро
Некоммерческого акционерного общества
“ Алматинский университет энергетики и связи”
050013, Алматы, ул. Байтурсынова,126