Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Одним із шляхів енергозбереження в електроприводі є перехід від нерегульованого електроприводу до регульованого. При такому переході економія електроенергії часто досягається за рахунок процесу, який привід обслуговує. Іноді економія електроенергії може перевищувати власне споживання електроприводу. Так, перейшовши від постійної швидкості транспортера, що доставляє різні деталі в гартівну піч, до гнучко керованої, вдається оптимізувати термічний процес, зокрема, з енергетичного критерію. Очевидно, що потужності процесів повільної транспортування і загартування відрізняються на декілька порядків. Також для отримання корисних ефектів від переходу до регульованого електроприводу часто потрібні зміни координат (швидкість, момент) електроприводу в дуже невеликих межах при обмежених вимогах до якості регулювання. Яскравим прикладом може бути невелика зміна швидкості насоса, що подає гарячу воду в будівлю, що в свою чергу призводить до економії гарячої води [1]. Переваги асинхронного короткозамкненого двигуна в порівнянні з двигунами постійного струму, такі як висока надійність, менша вартість, простота виготовлення і експлуатації, в поєднанні з високими регулювальними і динамічними показниками перетворюють асинхронний частотно-регульований електропривод в домінуючий тип регульованого електроприводу, масове застосування якого дозволяє вирішувати не тільки технологічні завдання, а й проблему енергозбереження [2].

1. Актуальність теми

На сьогоднішній день чітко простежується тенденція до зниження енергетичних витрат. Особливо актуальною вона є для великих промислових підприємств, де основними споживачами електроенергії є електродвигуни, які використовуються для різних механізмів. Серед електроприводів промислових механізмів можна виділити групу турбомеханізмів (вентилятори, насоси, компресори), які, як правило, працюють в тривалому режимі і споживають близько 25% усієї вироблюваної електроенергії [2]. У зв'язку з досить високою встановленою потужністю двигунів і тривалим режимом роботи, дані установки представляють особливий інтерес для реалізації заходів по економії електроенергії.

2. Мета і задачі дослідження, заплановані результати

Метою магістерської роботи є дослідження енергетичних показників регульованого електроприводу вентилятора і визначення найбільш ефективних методів їх поліпшення.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

  1. Вивчити літературу з вентиляторних установок і способам енергозбереження засобами електроприводу;
  2. Розробити математичну модель вентиляційної установки з частотно-регульованим асинхронним електроприводом і підтвердити її адекватність реальному об'єкту;
  3. Проаналізувати на підставі досліджень на математичній моделі різні методи поліпшення енергетичних характеристик електроприводу вентилятора;
  4. На підставі проведеного аналізу визначити найбільш ефективні методи енергозбереження для вентиляційної установки з регульованим електроприводом;
  5. Перевірити реалізацію обраного методу енергозбереження на експериментальній установці.

Плановані результати:

  1. Математична модель вентиляторної установки з частотно-регульованим електроприводом, що забезпечує можливість дослідження енергетичних і технологічних показників;
  2. Рекомендації щодо поліпшення енергетичних показників роботи електроприводів вентиляторів для використання в промислових умовах;
  3. Лабораторний стенд для проведення експериментальних досліджень частотно-регульованого електроприводу вентилятора.

3. Огляд літературних джерел

3.1 Вентилятори, їх конструкція

Вентиляторами називаються нагнітачі обертального типу, призначені для подачі газів або повітря при невеликому тиску (до 15кПа) і щільності газів ρ=1,2 кг/м3 [3]. Вентилятори діляться на відцентрові і осьові. Відцентрові вентилятори класифікуються наступним чином [4]:

  1. По створюваному тиску:
    • низького тиску (до 1 кПа);
    • середнього тиску (до 3 кПа);
    • високого тиску (вищє 3 кПа).
  2. За призначенням:
    • загального призначення – для переміщення чистого повітря і неагресивних газів при температурі 180 °С і повітря, що містить пил в кількості не більше 150 мг/м3;
    • для технологічних потреб: при переміщенні агресивних середовищ – вінілпластові; у вибухонебезпечному виконанні – алюмінієві; для переміщення повітря, засміченого механічними домішками – пилові;
    • димососи – для переміщення димових газів.
  3. За напрямком обертання робочого колеса:
    • правого обертання – якщо колесо обертається за годинниковою стрілкою;
    • лівого обертання – якщо колесо обертається проти годинникової стрілки;
    • по розташуванню вихідного отвору: верхнє типу В; праве – П; ліве – Л; нижнє – Н;
    • за способом приводу: на ременній передачі або на одному валу з двигуном.

Конструктивна схема відцентрового вентилятора виглядає наступним чином:

Конструктивна схема відцентрового вентилятора

Рисунок 1 – Конструктивна схема відцентрового вентилятора

Повітря надходить у вентилятор через вхідний патрубок 1 і направляється в робоче колесо 2, яке складається з маточини 5, ведучого диска 7, лопатей і покривного кільцевого диска 9. Зазвичай робоче колесо приводиться в обертання за допомогою маточини 5, насадженої на робочий вал 6, який передає рух безпосередньо від двигуна або за допомогою трансмісійної передачі. На маточині змонтований провідний диск, до якого прикріплені лопаті робочого колеса. З боку входу на лопатях робочого колеса кріпиться покривний кільцевий диск 9.

Робоче колесо, що обертається, розміщюється в нерухомому спіральному кожусі 8, який має на виході патрубок 4, що розширюється. Повітря або газ, яке потрапляє через вхідний патрубок 1 в робоче колесо 2, лопатями відкидається з великою швидкістю до периферії. Частина цієї енергії внаслідок силового впливу лопатей робочого колеса виходить у вигляді потенційної енергії тиску. Інша частина, в залежності від ступеня реактивності робочого колеса, виходить у вигляді кінетичної енергії (швидкісного напору).

Повітря, що надходить з великою швидкістю з робочого колеса, гальмується в кожусі вентилятора. При цьому швидкісний напір перетвориться в потенційну енергію тиску. Спіральна форма кожуха сприяє цьому процесу. Надлишок тиску на виході з вентилятора в патрубку 4 йде на подолання опорів і протитиску в нагнітальній системі трубопроводів.

Щоб уникнути витоку повітря, який був підданий стиску в вентиляторі, встановлюють різного типу ущільнення і здійснюють сполучення вхідного патрубка вентилятора і вхідної кромки робочого колеса з мінімальним зазором 1 мм. З цією метою язик 3 спіральної камери підводять якомога ближче до зовнішнього обода робочого колеса [3].

Розташування кожуха вентилятора може змінюватися в залежності від потрібного напрямку подачі повітря. На рисунку 2 представлені різні варіанти розташування кожуха вентилятора [4].

Розташування кожухів відцентрових вентиляторів

Рисунок 2 – Розташування кожухів відцентрових вентиляторів
(а – вентиляторів правого обертання; б – вентиляторів лівого обертання)

Продуктивність вентиляторів залежить від багатьох факторів, основним з яких є швидкість обертання робочого колеса. На рисунку 3 представлені як приклад аеродинамічні характеристики вентилятора ВДН-18, що використовується в повітродувках.

Аеродинамічні характеристики вентилятора ВДН-18

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

3.2 Способи регулювання продуктивністю

Найпоширенішими способами регулювання продуктивності відцентрових вентиляторів є [6],[7]:

  1. Регулювання поворотом лопатей направляючого апарату;
  2. Регулювання шибером перетину вихідного каналу вентилятора;
  3. Регулювання зміною частоти обертання валу вентилятора.

У першому випадку продуктивність регулюється зменшенням перетину вхідного каналу і закручуванням потоку на вході в робоче колесо. Цей спосіб відрізняється простотою, однак ККД всієї установки буде знижуватися.

Другий спосіб має на увазі установку заслінки (шибера) в вихідний канал вентилятора, за допомогою якої і відбувається регулювання подачі повітря. Такий спосіб ще називають дросселюванням. Незважаючи на конструктивну простоту, регулювання шибером призводить до збільшення витрат електроенергії, тому цей спосіб є самим неекономічним.

Третій спосіб передбачає використання частотно-регульованого електроприводу. За рахунок регулювання швидкості обертання можна не тільки збільшувати або зменшувати подачу повітря, а й підтримувати ККД установки постійним на всьому діапазоні регулювання. На сьогоднішній день цей спосіб регулювання є найефективнішим з точки зору витрат електроенергії, проте вартість такої установки збільшиться.

Для турбомеханизмов робота на низьких швидкостях протягом тривалого часу може призвести до зниження споживання енергії, усунути різкі коливання температури або витрати та інші втрати системи, пов'язані з включенням/відключенням звичайних одношвидкісних систем [8].

3.3 Частотно–регульований електропривод

Суть частотного регулювання полягає в наступному. Швидкість обертання електромагнітного поля статора трифазних електродвигунів змінного струму пропорційна частоті мережі живлення, що дозволяє регулювати їх швидкість плавною зміною частоти напруги мережі. Це найбільш економічний спосіб плавного регулювання швидкості асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором, оскільки двигун у всьому діапазоні регулювання працює з малою величиною ковзання ротора [9].

Можливість регулювання швидкості АД зміною частоти випливає з виразу швидкості ідеального холостого ходу:

Формула швидкості холостого ходу

де f1 – частота напруги обмотки статора; рп – число пар полюсів двигуна [2].

Змінюючи частоту f1 напруги обмотки статора, можна отримувати різні швидкості ідеального холостого ходу. При цьому залежність швидкості ідеального холостого ходу від частоти напруги обмоток статора лінійна. Механічні характеристики АД при частотному способі регулювання швидкості можуть істотно відрізнятися від природної характеристики. При постійній амплітуді напруги, що підводиться до обмотки статора, зі зменшенням f1 пусковий і критичний моменти двигуна збільшуються, а жорсткість механічних характеристик підвищується. Однак при постійній напрузі джерела живлення U1 зі зменшенням частоти f1 різко збільшуються струм намагнічування і струм статора. Магнітна система двигуна насичується. В результаті істотно збільшуються електричні і магнітні втрати. Для підвищення техніко-економічних показників двигуна при зміні частоти необхідно регулювати амплітуду напруги U1 як функцію від частоти f1 і моменту навантаження М [2].

Академік М.П. Костенко встановив наступний закон управління амплітудою і діючим значенням напруги в залежності від частоти: щоб забезпечити оптимальний режим роботи асинхронного двигуна при всіх значеннях частоти і навантаження, відносну напругу двигуна необхідно змінювати пропорційно добутку відносної частоти на корінь квадратний з відносного моменту двигуна. Цей закон можна записати рівнянням:

Формула для основного закону Костенка

або в відносних одиницях:

γ=α√μ

де γ=U/Uном – відносна напруга статора, α=f/fном – відносна частота статора, µ=M/Mном – відносний момент.

Закон був отриманий в нехтуванні падінням напруги в активних опорах статора і насиченням магнітного кола.

Основоположним в законі є те, що напругу необхідно регулювати так, щоб коефіцієнт статичного перевантаження залишався однаковим при різних частотах.

λ=Mmax/Mном

Закон Костенка говорить про те, як треба змінити напругу, якщо двигун буде працювати не при номінальній частоті, а при новому, зниженому її значенні. Закон враховує властивості навантаження. Якщо вона зі зменшенням частоти також зменшується через супутнього майже пропорційно частоті зменшення кутової швидкості, то немає сенсу зберігати потік двигуна на тому ж рівні. Його можна зменшити настільки, щоб тільки зберегти старий номінальний коефіцієнт статичного перевантаження.

Зменшення потоку зі зменшенням навантаження при тому ж запасі стійкості дає зменшення втрат в сталі і підвищує економічність приводу з частотним управлінням і навантаженням, яке часто змінюється, порівняно з асинхронним двигуном при постійній частоті.

Діапазон регулювання швидкості обертання двигуна за цим законом обмежений зверху і знизу.

Верхня межа визначається насиченням муздрамтеатру машини. З ростом відносини γ/α зростає магнітний потік машини і різко збільшується струм намагнічування I0µ, що і обмежує допустиме значення цього відношення. Тому застосування закону Костенко практично обмежено навантаженнями, що не надто перевищують номінальний момент двигуна.

Нижня межа діапазону регулювання залежить від моменту статичного опору при рушанні двигуна з місця. Очевидно, при зростанні частоти і напруги від нуля двигун буде нерухомий до тих пір, поки частота ротора, що дорівнює частоті статора (ротор нерухомий), не досягне такого значення, при якому момент двигуна перевищить момент рушання нерухомого приводу.

Практичне застосування основного закону обмежують труднощі безпосереднього вимірювання моменту на валу двигуна.

Завдання спрощується в застосуванні до вентиляторного навантаження, тобто до таких видів механічних характеристик, у яких момент статичного опору залежить від швидкості, або з точністю ковзання, від частоти:

Залежність момента опору від швидкості

(де β – відносна частота ротора і разом з тим параметр абсолютного ковзання) завдяки чому відпадає необхідність в безпосередньому вимірі моменту [10].

В окремих випадках будемо мати залежності:

Для кожного з цих випадків можна графічно зобразити залежність напруги від частоти.

Закони частотного управління

Рисунок 4 – Графічне зображення закона Костенка
(анімація: 6 кадрів, 10 циклів повторення, 38,5 кілобайт)

Як відомо, при U/f-регулюванні напруга і струм розглядаються як скалярні величини, тобто використовуються модулі цих величин. Тому U/f-регулювання ще називають скалярним [11]. Таке регулювання швидкості характерно в розімкнутих системах управління. [2].

3.4 Перетворювачі частоти з проміжною ланкою постійного струму

Найбільш поширеним типом електричних перетворювачів на сучасному ринку є перетворювачі частоти з проміжною ланкою постійного струму. Малопотужні перетворювачі частоти створюються за схемою Некерований трифазний випрямляч – дворівневий інвертор, а для великих потужностей будуються з використанням багаторівневих інверторів або за принципом послідовного з'єднання низьковольтних осередків.

Функціональна схема перетворювача частоти з проміжною ланкою постійного струму представлена нижче.

Функціональна схема перетворювача частоти з проміжною ланкою постійного струму

Рисунок 5 – Функціональна схема перетворювача частоти з проміжною ланкою постійного струму

Напруга живильної мережі подається через випрямляч і фільтр Ф1 на інвертор. Інвертор, керований від мікропроцесорної системи управління, формує напругу на виході перетворювача відповідно до прийнятого закону управління.

Схема містить випрямляч (В), фільтри (Ф, Ф1, Ф2) і інвертор (И) з системою управління (СУ), яка здійснює управління пусковими процесами випрямляча, допоміжними колами і інвертором, а також приймає і обробляє інформацію про роботу кожного елемента перетворювача.

Випрямляч виконується або на діодах для перетворювачів малої та середньої потужності, або на тиристорах для перетворювачів середньої і великої потужності. Випрямляч з'єднується з інвертором через ємнісний або індуктивно-ємнісний фільтр. Чисто ємнісні фільтри між випрямлячем і інвертором встановлюють на перетворювачах малої потужності. Індуктивно-ємнісні фільтри встановлюють в перетворювачах середньої потужності. Індуктивні фільтри встановлюються перед випрямлячем і разом з ємнісним фільтром, встановленим між випрямлячем і інвертором, утворює індуктивно-ємнісний фільтр. Фільтр в ланці постійного струму виконує наступні функції:

Інвертор служить для формування заданої системою управління напруги на обмотках статора двигуна. Змінюючи напругу за певними законами, можна за допомогою системи управління формувати необхідні двигуну частоту і струм. Двигун можна підключати до инвертору через фільтр Ф2, який буває двох типів:

Найбільшого поширення набули перетворювачі частоти з ланкою постійного струму, в яких форма струму статора, близька до синусоїдальної, досягається застосуванням інверторів з широтно-імпульсною модуляцією. [11].

Суть широтно-імпульсної модуляції полягає в наступному. Управління транзисторами здійснюється з фіксованим за часом періодом Тшим. Протягом цього періоду транзистор вмикається на час tвкл і вимикається на час tвыкл= Тшим - tвкл. Відношення включеного стану до всього періоду ШІМ називається скважністю і позначається буквою γ:

Скважність

Система управління задає скважність для певного періоду ШІМ. При цьому скважність змінюється в межах від нуля (транзистор вимкнений) до одиниці або 100% (транзистор ввімкнений).

ШІМ для одиночного транзистора

Рисунок 6 – ШІМ для одиночного транзистора

Зазвичай для стойки з двома транзисторами використовується комплементарний спосіб управління, тобто коли верхній ключ замкнутий, а нижній в цей момент розімкнути і навпаки.

Комплементарне управління транзисторами стойки

Рисунок 7 – Комплементарне управління транзисторами стойки

На практиці час спрацьовування транзисторів відрізняється від нуля. Це може привести до виникнення наскрізного струму, коли один транзистор вимкнувся, а другий не встиг включитися. Такий струм може привести до аварійної ситуації, тому в сучасних системах управління транзисторами використовується генератор мертвого часу. Цей генератор затримує позитивний фронт сигналу, що управляє якраз на період т.зв. мертвого часу.

Генерація мертвого часу

Рисунок 8 – Генерація мертвого часу

IGBT-транзистори вимагають мертвого часу від 2,5 мкс для малої потужності і 5-7 мкс при потужностях 100 кВт і більше [12].

Висновки

  1. Проведений огляд літературних джерел за темою дисертаційної роботи показав, що регульовані електроприводи змінного струму знаходять все більше застосування в вентиляційних установках, витісняючи старі системи з механічним регулюванням продуктивності.
  2. Для забезпечення високих енергетичних показників вентиляційної установки, необхідно використовувати закон регулювання, який відповідає характеру зміни моменту навантаження.
  3. У більшості випадків, для вентиляторів приймається в розрахунках квадратичний закон залежності моменту навантаження від швидкості обертання. Разом з тим, аеродинамічні характеристики вентиляторів свідчать про різний характер цієї залежності на різних ділянках.
  4. Питання впливу спрощеного уявлення механічної характеристики механізму вентилятора на енергетичні показники є на сьогоднішній день недостатньо дослідженим.
  5. Рішення поставленої в магістерській роботі завдання дозволить отримати практичні рекомендації для ефективного використання частотно-регульованих електроприводів в вентиляторних установках.

На момент написання даного реферату магістерська робота ще не завершена. Орієнтовна дата завершення магістерської роботи: червень 2017 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Список джерел

  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.