по курсу «Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов» «Автоматизация технологических процессов (стр. 8 из 10)
Все турбокомпрессоры, за исключением воздуходувок, работают на сеть с сопротивлением, что определяет зависимость момента сопротивления на валу от частоты вращения.
Пуск турбокомпрессора обычно производится без нагрузки путем соединения полости нагнетания с атмосферой или с полостью всасывания, из-за чего максимальный момент при пуске не превышает 0,4 номинального.
Наиболее совершенным способом регулирования производительности турбокомпрессоров является изменение их частоты вращения. Основной проблемой при этом является то, что большинство двигателей компрессоров являются высоковольтными машинами (3, 6 кВ и более). В настоящее время лишь несколько заводов-изготовителей предлагают высоковольтные преобразователи частоты, стоимость которых, как правило, намного выше, чем преобразователей, питающихся от сети 380 В. Кроме того, часто предлагаются преобразователи с двойной трансформацией, когда на вход и выход обычного низковольтного преобразователя устанавливаются соответственно понижающий и повышающий трансформаторы. Такое решение нельзя признать экономичным, так как КПД преобразователя частоты при этом снижается, возрастают материалоемкость и габаритные размеры преобразователя. Исходя из сказанного, следует признать целесообразным либо использование непосредственных преобразователей частоты на основе обычных тиристоров, либо двухзвенных высоковольтных преобразователей частоты со звеном постоянного тока на основе запираемых тиристоров.
2.5. Электроприводы поршневых машин.
Важное место в промышленном производстве занимают поршневые компрессоры и насосы, а также плунжерные насосы. Поршневые компрессоры находят применение в производстве полимерных материалов, в установках для разделения воздуха, холодильных установках и др. Поршневые и плунжерные насосы применяются в производстве минеральных удобрений, на предприятиях легкой и пищевой промышленности.
Поршневые и плунжерные насосы, а также поршневые компрессоры имеют мощность от единиц киловатт до нескольких мегаватт. Поршневые насосы, как правило, относительно тихоходны, причем с увеличением мощности частота вращения их меньше и не превышает обычно 500 об/мин, а насосы небольшой мощности имеют более скоростные двигатели с частотой вращения 1000 и 1500 об/мин. Часто рабочий вал компрессора или насоса соединяется с двигателем посредством клиноременной передачи, шкивы которой выполняют в этом случае также роль маховиков.
Особенностью поршневых машин является наличие в их кинематической схеме кривошипно-шатунного механизма. Момент сопротивления на кривошипном валу механизма, создаваемый одним поршнем, представляет собой периодическую функцию угла поворота вала. Момент, создаваемый поршнем одного цилиндра, определяется следующим выражением [1]:
, (2.24)где F – сила реакции поршня, Н, F=πHD2/4 (H – давление, развиваемое в цилиндре, Па; D – диаметр поршня, м); R – радиус кривошипа, м; π – КПД кривошипно-шатунного механизма и цилиндра; ω – угловая скорость вала, с-1; α – мгновенное значение угла между осями шатуна и штока.
Пренебрегая изменением угла α, в первом приближении можно считать, что момент изменяется во времени по синусоиде. Для уменьшения пульсаций нагрузки поршневые машины выполняются, как правило, двух- или многоцилиндровыми с соответствующим сдвигом кривошипов каждого из цилиндров.
Для того, чтобы пульсации момента сопротивления не вызывали пульсаций момента, развиваемого двигателем, на кривошипном валу обычно предусматривается маховик либо применяется электродвигатель, обладающий большим моментом инерции ротора.
Момент, который должен развивать двигатель, можно представить в виде суммы двух составляющих: постоянного среднего Мср и переменного значения момента инерции, зависящего от угла поворота кривошипа, угловой скорости и жесткости механической характеристики двигателя [1]:
, (2.25)где ΔМ – амплитуда колебаний момента при скорости; J – момент инерции, приведенный к валу двигателя; β – коэффициент жесткости механических характеристик двигателя, β = Мном/(ω0Sном).
Как следует из формулы (2.25), пульсации момента двигателя будут тем ниже, чем больше момент инерции привода и больше его скорость, что необходимо иметь в виду при применении регулируемого электропривода, так как степень неравномерности момента при снижении скорости возрастает.
Таким образом, наличие в кинематической схеме поршневых машин кривошипно-шатунного механизма и необходимость использования маховика или двигателя с повышенным моментом инерции определяют следующие их особенности как объекта электропривода: пульсирующий характер нагрузочного момента, зависимость пульсаций от скорости привода; повышенный момент инерции, затрудняющий пуск привода; повышенный момент сопротивления при пуске. Так, из-за низкого КПД кривошипно-шатунного механизма и большого сопротивления трения покоя в цилиндрах пусковой момент даже ненагруженных поршневых машин должен быть не менее 1,2 номинального.
В настоящее время для привода поршневых машин большой мощности применяется нерегулируемый электропривод с синхронными двигателями, для машин средней и малой мощности – с короткозамкнутыми асинхронными двигателями, как правило, с повышенным пусковым моментом. Иногда для регулирования подачи используют двухскоростные асинхронные двигатели.
Применение ТПН или ППЧ в электроприводах поршневых машин связано с рядом проблем.
Во-первых, это необходимость обеспечения высокого пускового момента. Многие преобразователи имеют специальный режим форсирования напряжения на двигателе (режим «кик-старт») для обеспечения трогания двигателя, который должен быть активизирован для таких электроприводов. Заметим, что в некоторых случаях приходится завышать мощность преобразователя для обеспечения требуемого момента трогания.
Во-вторых, в поршневых машинах наблюдается не такая существенная зависимость потребляемой мощности от скорости двигателя, как это имело место в турбомашинах, поэтому экономия электроэнергии при переходе к частотно-регулируемому электроприводу будет не столь значительна (примерно пропорциональная снижению скорости). Это также означает, что в таких механизмах ТПН может использоваться только для плавных пуска и остановки, но не для регулирования скорости двигателя, так как в этом режиме потери в двигателе резко возрастают. При этом следует иметь в виду, что если в соответствии с технологией требуются частые остановки поршневой машины, например плунжерного насоса дозатора, то для минимизации потерь в пускотормозных режимах требуется минимальный суммарный момент инерции, а для минимизации потерь энергии в установившемся режиме работы с переменным моментом сопротивления момент инерции должен быть как можно больше. В связи с этим момент инерции маховика в таких случаях должен выбираться после детального анализа тахограммы и нагрузочной диаграммы привода.
В-третьих, для поршневых машин с длительным режимом работы момент инерции маховика должен быть также оптимизирован исходя из требуемого диапазона изменения скорости (при снижении скорости в соответствии с формулой (2.25) пульсации момента увеличиваются) и допустимых значений амплитуды момента двигателя.
2.6. Электроприводы конвейеров и транспортёров.
Движение ленте конвейера или транспортёра, как правило, передаётся от асинхронного двигателя через редуктор и приводной барабан. Момент на валу приводного двигателя конвейера [1]
,где F – усилие на приводном барабане, F=Fx.x+Fг (Fx.x – усилие, затрачиваемое на перемещение ленты конвейера или транспортёра; Fг – усилие, необходимое на перемещение груза); R – радиус приводного барабана; iр – передаточное отношение редуктора; ηр – КПД редуктора.
Когда груз на ленте конвейера отсутствует, двигатель развивает момент холостого хода Мх.х=Fx.xR/iрηр.х.х, где ηр.х.х – КПД редуктора, соответствующий усилию Fх.х.
Учитывая линейную зависимость сил трения от усилий, необходимых для перемещения груза [1], зависимость момента на валу двигателя от усилия на барабане можно представить следующим образом: М*=Мх.х*+(1-Мх.х*)Fг*, где М*=М/Мном; Мх.х*=Мх.х/Мном; Fг*=Fг/Fг.ном (Мном – номинальный момент на валу двигателя, необходимый для перемещения ленты и номинального груза при номинальной скорости; Fг.ном – составляющая усилия F в тянущем органе конвейера, возникающая за счёт перемещения только номинального полезного груза).
Составляющая Fг тянущего усилия и линейная скорость перемещения V* конвейера определяют его производительность: Q*=Fг*V*, где Q*=Q/Qном (Qном – номинальная производительность конвейера).
При постоянной номинальной скорости конвейера V*=1
Q*=Fг*,