Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Одним из путей энергосбережения в электроприводе является переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому. При таком переходе экономия электроэнергии часто достигается за счет процесса, который привод обслуживает. Иногда экономия электроэнергии может превышать собственное потребление электропривода. Так, перейдя от неизменной скорости транспортера, доставляющего различные детали в закалочную печь, к гибко управляемой, удается оптимизировать термический процесс, в частности, по энергетическому критерию. Очевидно, что мощности процессов медленной транспортировки и закалки отличаются на несколько порядков. Также для получения полезных эффектов от перехода к регулируемому электроприводу часто нужны изменения координат (скорость, момент) электропривода в очень небольших пределах при ограниченных требованиях к качеству регулирования. Ярким примером может являться небольшое изменение скорости насоса, подающего горячую воду в здание, что в свою очередь приводит к экономии горячей воды [1]. Преимущества асинхронного короткозамкнутого двигателя по сравнению с двигателями постоянного тока, такие как высокая надежность, меньшая стоимость, простота изготовления и эксплуатации, в сочетании с высокими регулировочными и динамическими показателями превращают асинхронный частотно-регулируемый электропривод в доминирующий тип регулируемого электропривода, массовое применение которого позволяет решать не только технологические задачи, но и проблему энергосбережения [2].

1. Актуальность темы

На сегодняшний день четко прослеживается тенденция к снижению энергетических затрат. Особенно актуальной она является для крупных промышленных предприятий, где основными потребителями электроэнергии являются электродвигатели, используемые для различных механизмов. Среди электроприводов промышленных механизмов можно выделить группу турбомеханизмов (вентиляторы, насосы, компрессоры), которые, как правило, работают в длительном режиме и потребляют около 25 % всей вырабатываемой электроэнергии [2]. В связи с достаточно высокой установленной мощностью двигателей и длительным режимом работы, данные установки представляют особый интерес для реализации мероприятий по экономии электроэнергии.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью магистерской работы является исследование энергетических показателей регулируемого электропривода вентилятора и определение наиболее эффективных методов их улучшения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  1. Изучить литературу по вентиляторным установкам и способам энергосбережения средствами электропривода;
  2. Разработать математическую модель вентиляторной установки с частотно-регулируемым асинхронным электроприводом и подтвердить ее адекватность реальному объекту;
  3. Проанализировать на основании исследований на математической модели различные методы улучшения энергетических характеристик электропривода вентилятора;
  4. На основании проведенного анализа определить наиболее эффективные методы энергосбережения для вентиляторной установки с регулируемым электроприводом;
  5. Проверить реализуемость выбранного метода энергосбережения на экспериментальной установке.

Планируемые результаты:

  1. Математическая модель вентиляторной установки с частотно-регулируемым электроприводом, обеспечивающая возможность исследования энергетических и технологических показателей;
  2. Рекомендации по улучшению энергетических показателей работы электроприводов вентиляторов для использования в промышленных условиях;
  3. Лабораторный стенд для проведения экспериментальных исследований частотно-регулируемого электропривода вентилятора.

3. Обзор литературных источников

3.1 Вентиляторы, их конструкция

Вентиляторами называются нагнетатели вращательного типа, предназначенные для подачи газов или воздуха при небольшом напоре (до 15кПа) и плотности газов ρ=1,2 кг/м3 [3]. Вентиляторы делятся на центробежные и осевые. Центробежные вентиляторы классифицируются следующим образом [4]:

  1. По создаваемому давлению:
    • низкого давления (до 1 кПа);
    • среднего давления (до 3 кПа);
    • высокого давления (выше 3 кПа).
  2. По назначению:
    • общего назначения – для перемещения чистого воздуха и неагрессивных газов при температуре 180 °С и воздуха, содержащего пыль в количестве не более 150 мг/м3;
    • для технологических нужд: при перемещении агрессивных сред – винилпластовые; во взрывобезопасном исполнении – алюминивые; для перемещения воздуха, засоренного механическими примесями – пылевые;
    • дымососы – для перемещения дымовых газов.
  3. По направлению вращения рабочего колеса:
    • правого вращения – если колесо вращается по часовой стрелке;
    • левого вращения – если колесо вращается против часовой стрелки;
    • по расположению выходного отверстия: верхнее типа В; правое – П; левое – Л; нижнее – Н;
    • по способу привода: на ременной передаче или на одном валу с двигателем.

Конструктивная схема центробежного вентилятора выглядит следующим образом:

Конструктивная схема центробежного вентилятора

Рисунок 1 – Конструктивная схема центробежного вентилятора

Воздух поступает в вентилятор через входной патрубок 1 и направляется в рабочее колесо 2, которое состоит из ступицы 5, ведущего диска 7, лопастей и покрывного кольцевого диска 9. Обычно рабочее колесо приводится во вращение при помощи ступицы 5, насаженной на рабочий вал 6, который передает движение непосредственно от двигателя или с помощью трансмиссионной передачи. На ступице смонтирован ведущий диск, к которому прикреплены лопасти рабочего колеса. Со стороны входа на лопастях рабочего колеса крепится покрывной кольцевой диск 9.

Вращающееся рабочее колесо помещается в неподвижный спиральный кожух 8, имеющий на выходе расширяющийся патрубок 4. Воздух или газ, попадающий через входной патрубок 1 в рабочее колесо 2, лопастями отбрасывается с большой скоростью к периферии. Часть этой энергии вследствие силового воздействия лопастей рабочего колеса получается в виде потенциальной энергии давления. Другая часть, в зависимости от степени реактивности рабочего колеса, получается в виде кинетической энергии (скоростного напора).

Воздух, поступающий с большой скоростью из рабочего колеса, тормозится в кожухе вентилятора. При этом скоростной напор преобразуется в потенциальную энергию давления. Спиральная форма кожуха способствует этому процессу. Избыток давления на выходе из вентилятора в патрубке 4 идет на преодоление сопротивлений и противодавления в нагнетательной системе трубопроводов.

Чтобы избежать утечки воздуха, который был подвергнут сжатию в вентиляторе, устанавливают различного типа уплотнения и осуществляют сопряжение входного патрубка вентилятора и входной кромки рабочего колеса с минимальным зазором 1 мм. С этой целью язык 3 спиральной камеры подводят как можно ближе к внешнему ободу рабочего колеса [3].

Положение кожуха вентилятора может меняться в зависимости от нужного направления подачи воздуха. На рисунке 2 представлены различные варианты расположения кожуха вентилятора [4].

Положения кожухов центробежных вентиляторов

Рисунок 2 – Положения кожухов центробежных вентиляторов
(а – вентиляторов правого вращения; б – вентиляторов левого вращения)

Производительность вентиляторов зависит от многих факторов, основным из которых является скорость вращения рабочего колеса. На рисунке 3 представлены в качестве примера аэродинамические характеристики вентилятора ВДН-18, используемого в воздуходувках.

Аэродинамические характеристики вентилятора ВДН-18

Рисунок 3 – Аэродинамические характеристики вентилятора ВДН-18 [5]

3.2 Способы регулирования производительностью

Самыми распространенными способами регулирования производительности центробежных вентиляторах являются [6],[7]:

  1. Регулирование поворотом лопастей направляющего аппарата;
  2. Регулирование шибером сечения выходного канала вентилятора;
  3. Регулирование изменением частоты вращения вала вентилятора.

В первом случае производительность регулируется уменьшением сечения входного канала и закручиванием потока на входе в рабочее колесо. Этот способ отличается простотой, однако КПД всей установки будет снижаться.

Второй способ подразумевает установку заслонки (шибера) в выходной канал вентилятора, с помощью которой и происходит регулирование подачи воздуха. Такой способ еще называют дросселированием. Несмотря на конструктивную простоту, регулирование шибером приводит к увеличению затрат электроэнергии, поэтому этот способ является самым неэкономичным.

Третий способ подразумевает использование частотно-регулируемого электропривода. За счет регулирования скорости вращения можно не только увеличивать или уменьшать подачу воздуха, но и поддерживать КПД установки постоянным на всем диапазоне регулирования. На сегодняшний день этот способ регулирования является самым эффективным с точки зрения затрат электроэнергии, однако стоимость такой установки увеличится.

Для турбомеханизмов работа на низких скоростях в течении длительного времени может привести к снижению потребления энергии, устранить резкие колебания температуры или расхода и другие потери системы, связанные с включением/отключением обычных односкоростных систем [8].

3.3 Частотно–регулируемый электропривод

Суть частотного регулирования заключается в следующем. Скорость вращения электромагнитного поля статора трехфазных электродвигателей переменного тока пропорциональна частоте питающей сети, что позволяет регулировать их скорость плавным изменением частоты напряжения сети. Это наиболее экономичный способ плавного регулирования скорости асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, поскольку двигатель во всем диапазоне регулирования работает с малой величиной скольжения ротора [9].

Возможность регулирования скорости АД изменением частоты следует из выражения скорости идеального холостого хода:

Формула скорости холостого хода

где f1 – частота напряжения обмотки статора; рп – число пар полюсов двигателя [2].

Меняя частоту f1 напряжения обмотки статора, можно получать разные скорости идеального холостого хода. При этом зависимость скорости идеального холостого хода от частоты напряжения обмоток статора линейная. Механические характеристики АД при частотном способе регулирования скорости могут существенно отличаться от естественной характеристики. При постоянной амплитуде напряжения, подводимого к обмотке статора, с уменьшением f1 пусковой и критический моменты двигателя увеличиваются, а жесткость механических характеристик повышается. Однако при неизменном напряжении источника питания U1 с уменьшением частоты f1 резко увеличиваются ток намагничивания и ток статора. Магнитная система двигателя насыщается. В результате существенно увеличиваются электрические и магнитные потери. Для повышения технико-экономических показателей двигателя при изменении частоты необходимо регулировать амплитуду напряжения U1 как функцию от частоты f1 и момента нагрузки М [2].

Академик М.П. Костенко установил следующий закон управления амплитудой и действующим значением напряжения в зависимости от частоты: чтобы обеспечить оптимальный режим работы асинхронного двигателя при всех значениях частоты и нагрузки, относительное напряжение двигателя необходимо изменять пропорционально произведению относительной частоты на корень квадратный из относительного момента двигателя. Этот закон можно записать уравнением:

Формула для основного закона Костенко

или в относительных единицах:

γ=α√μ

где γ=U/Uном – относительное напряжение статора, α=f/fном – относительная частота статора, µ=M/Mном – относительный момент.

Закон был получен в пренебрежении падением напряжения в активных сопротивлениях статора и насыщением магнитной цепи.

Основополагающим в законе является то, что напряжение необходимо регулировать так, чтобы коэффициент статической перегружаемости оставался одинаковым при разных частотах.

λ=Mmax/Mном

Закон Костенко говорит о том, как надо изменить напряжение, если двигатель будет работать не при номинальной частоте, а при новом, пониженном ее значении. Закон учитывает свойства нагрузки. Если она с уменьшением частоты также уменьшается из-за сопутствующего почти пропорционально частоте уменьшения угловой скорости, то нет смысла сохранять поток двигателя на том же уровне. Его можно уменьшить настолько, чтобы только сохранить старый номинальный коэффициент статической перегружаемости.

Уменьшение потока с уменьшением нагрузки при том же запасе устойчивости дает уменьшение потерь в стали и повышает экономичность привода с частотным управлением и часто меняющейся нагрузкой по сравнению с асинхронным двигателем при постоянной частоте.

Диапазон регулирования скорости вращения двигателя по данному закону ограничен сверху и снизу.

Верхняя граница определяется насыщением магнитопровода машины. С ростом отношения γ/α растет магнитный поток машины и резко увеличивается ток намагничивания I0µ, что и ограничивает допустимое значение этого отношения. Поэтому применение закона Костенко практически ограничено нагрузками, не слишком превышающими номинальный момент двигателя.

Нижняя граница диапазона регулирования зависит от момента статического сопротивления при трогании двигателя с места. Очевидно, при возрастании частоты и напряжения от нуля двигатель будет неподвижен до тех пор, пока частота ротора, равная частоте статора (ротор неподвижен), не достигнет такого значения, при котором момент двигателя превысит момент трогания неподвижного привода.

Практическое применение основного закона ограничивают трудности непосредственного измерения момента на валу двигателя.

Задача упрощается в применении к вентиляторной нагрузке, т.е. к таким видам механических характеристик, у которых момент статического сопротивления зависит от скорости, или с точностью скольжения, от частоты:

Зависимость момента сопротивления от скорости

(где β – относительная частота ротора и вместе с тем параметр абсолютного скольжения), благодаря чему отпадает необходимость в непосредственном измерении момента [10].

В частных случаях будем иметь зависимости:

Для каждого из этих случаев можно графически изобразить зависимость напряжения от частоты.

Законы частотного управления

Рисунок 4 – Графическое изображение закона Костенко
(анимация: 6 кадров, 10 циклов повторения, 38,5 килобайт)

Как известно, при U/f-регулировании напряжение и ток рассматриваются как скалярные величины, т.е. используются модули этих величин. Поэтому U/f-регулирование еще называют скалярным [11]. Такое регулирование скорости характерно в разомкнутых системах управления [2].

3.4 Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока

Наиболее распространенным типом электрических преобразователей на современном рынке являются преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Маломощные преобразователи частоты создаются по схеме Неуправляемый трехфазный выпрямитель – двухуровневый инвертор, а для больших мощностей строятся с использованием многоуровневых инверторов или по принципу последовательного соединения низковольтных ячеек.

Функциональная схема преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока представлена ниже.

Функциональная схема преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока

Рисунок 5 – Функциональная схема преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока

Напряжение питающей сети подается через выпрямитель и фильтр Ф1 на инвертор. Инвертор, управляемый от микропроцессорной системы управления, формирует напряжение на выходе преобразователя в соответствии с принятым законом управления.

Схема содержит выпрямитель (В), фильтры (Ф, Ф1, Ф2) и инвертор (И) с системой управления (СУ), которая осуществляет управление пусковыми процессами выпрямителя, вспомогательными цепями и инвертором, а также принимает и обрабатывает информацию о работе каждого элемента преобразователя.

Выпрямитель выполняется либо на диодах для преобразователей малой и средней мощности, либо на тиристорах для преобразователей средней и большой мощности. Выпрямитель соединяется с инвертором через емкостной или индуктивно-емкостной фильтр. Чисто емкостные фильтры между выпрямителем и инвертором устанавливают на преобразователях малой мощности. Индуктивно-емкостные фильтры устанавливают в преобразователях средней мощности. Индуктивные фильтры устанавливаются перед выпрямителем и вместе с емкостным фильтром, установленным между выпрямителем и инвертором, образует индуктивно-емкостной фильтр. Фильтр в звене постоянного тока выполняет следующие функции:

Инвертор служит для формирования заданного системой управления напряжения на обмотках статора двигателя. Изменяя напряжение по определенным законам, возможно с помощью системы управления формировать необходимые двигателю частоту и ток. Двигатель можно подключать к инвертору через фильтр Ф2, который бывает двух типов:

Наибольшее распространение получили преобразователи частоты со звеном постоянного тока, в которых форма тока статора, близкая к синусоидальной, достигается применением инверторов с широтно-импульсной модуляцией [11].

Суть широтно-импульсной модуляции заключается в следующем. Управление транзисторами осуществляется с фиксированным по времени периодом Тшим. В течении этого периода транзистор включается на время tвкл и выключается на время tвыкл= Тшим - tвкл. Отношение включенного состояния ко всему периоду ШИМ называется скважностью и обозначается буквой γ:

Скважность

Система управления задает скважность для определенного периода ШИМ. При этом скважность меняется в пределах от нуля (транзистор выключен) до единицы или 100% (транзистор включен).

ШИМ для одиночного транзистора

Рисунок 6 – ШИМ для одиночного транзистора

Обычно для стойки с двумя транзисторами используется комплементарный способ управления, т.е. когда верхний ключ замкнут, а нижний в этот момент разомкнут и наоборот.

Комплементарное управление транзисторами стойки

Рисунок 7 – Комплементарное управление транзисторами стойки

На практике время срабатывания транзисторов отличается от нуля. Это может привести к возникновению сквозного тока, когда один транзистор выключился, а второй не успел включиться. Такой ток может привести к аварийной ситуации, поэтому в современных системах управления транзисторами используется генератор мертвого времени. Этот генератор задерживает положительный фронт управляющего сигнала как раз на период т.н. мертвого времени.

Генерация мертвого времени

Рисунок 8 – Генерация мертвого времени

IGBT-транзисторы требуют мертвого времени от 2,5 мкс для малой мощности и 5-7 мкс при мощностях 100 кВт и больше [12].

Выводы

  1. Проведенный обзор литературных источников по теме диссертационной работы показал, что регулируемые электроприводы переменного тока находят все большее применение в вентиляторных установках, вытесняя старые системы с механическим регулированием производительности.
  2. Для обеспечения высоких энергетических показателей вентиляторной установки, необходимо использовать закон регулирования, соответствующий характеру изменения момента нагрузки.
  3. В большинстве случаев, для вентиляторов принимается в расчетах квадратичный закон зависимости момента нагрузки от скорости вращения. Вместе с тем, аэродинамические характеристики вентиляторов свидетельствуют о различном характере этой зависимости на разных участках.
  4. Вопрос влияния упрощенного представления механической характеристики механизма вентилятора на энергетические показатели является на сегодняшний день недостаточно исследованным.
  5. Решение поставленной в магистерской работе задачи позволит получить практические рекомендации для эффективного использования частотно-регулируемых электроприводов в вентиляторных установках.

На момент написания данного реферата магистерская работа еще не завершена. Ориентировочная дата завершения магистерской работы: июнь 2017 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Энергосберегающая технология электроснабжения народного хозяйства: В 5 кн.: Практ. пособие/Под ред. В.А. Венникова. Кн. 2. Энергосбережение в электроприводе/Н.Ф. Ильинский, Ю.В. Рожановский, А.О. Горнов. – М.: Высш. шк., 1989 – 127 с., ил.
  2. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод. – Москва, Academa 2004. – 202 с.
  3. Насосы, компрессоры и вентиляторы. Шлипченко З.С., К., Техніка, 1976, 368 с.
  4. Галдин В.Д. Вентиляторы и компрессоры: учебное пособие. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. – 105 с.
  5. Вентилятор дутьевой ВДН-18 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ventorg.com..., свободный.
  6. Исследование систем управления электроприводами турбомеханизмов [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2010/etf/kononenko/diss/index.htm, свободный.
  7. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры: Учебник для теплоэнергетических специальностей вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 416 с., ил.
  8. Energy Savings Potential and Opportunities for High-Efficiency Electric Motors in Residential and Commercial Equipment [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://energy.gov/sites/prod..., свободный.
  9. Онищенко Г.Б., Юньков М.Г. Электропривод турбомеханизмов. М., Энергия, 1972. – 240 с., ил.
  10. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. – 3-е перераб. изд. – М.: Энергоиздат, 1982. – 216 с., ил.
  11. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. – Москва, Academa 2006. – 265 с.
  12. Анучин А.С. Системы управления электроприводов: учебник для вузов – М.: Издательский дом МЭИ, 2015. – 373 с.: ил.