Электропривод

Анализ работы систем электропривода и регулирования технологических параметров. Основными электроприемниками всех, за некоторым исключением, промышленных предприятий является электропривод технологических машин и механизмов. На его долю приходится около 80 % потребляемой предприятиями электроэнергии. Поэтому от его состояния и режимов работы зависит величина электроэнергетической составляющей выпускаемой продукции.

Электропривод представляет собой систему, в состав которой входят электродвигатель, передаточный механизм, рабочий механизм и устройство управления. Все системы электропривода делятся на разомкнутые и замкнутые, с дискретным управлением и регулируемые (автоматизированный электропривод).

К основным недостаткам электропривода действующих промышленных предприятий относятся:

а) большое количество электродвигателей устаревших модификаций, которые к настоящему времени сняты с производства;

б) длительный срок эксплуатации, составляющий десятки лет, в результате чего очень низкая вероятность безотказной работы систем электропривода;

в) около половины эксплуатируемых электродвигателей имеют завышенную мощность по сравнению с проектной;

г) преобладающее число систем электропривода являются разомкнутыми с дискретным управлением.

На промышленных предприятиях находится в эксплуатации большое количество автоматических систем регулирования технологических параметров. В качестве исполнительных механизмов используются регулирующие клапаны, которые представляют собой запорные устройства с дистанционным управлением. Они работают по принципу создания дополнительного гидравлического сопротивления в трубопроводах. По оценкам специалистов на регулирование технологических параметров (автоматическое и ручное) расходуется до 20 % потребляемой электроэнергии. На некоторых предприятиях внедрены системы автоматизированного электропривода, но они никак не связаны с автоматическим регулированием технологических параметров и их работа оказывается недостаточно эффективной.

Модернизация систем электропривода. К основным рекомендациям по модернизации систем электропривода следует отнести следующее:

а) замена электродвигателей с большим физическим износом на новые;

б) приведение мощности электродвигателей к фактической мощности производственных механизмов;

в) применение автоматизированного электропривода;

г) включение систем автоматизированного электропривода в системы автоматического регулирования технологических параметров.

Все рекомендации подлежат обязательному обоснованию. По первому пункту обоснование заключается в оценке фактического состояния электродвигателей путем расчета вероятности безотказной работы по методикам, изложенным в [52 - 54] и в литературных источниках по теории надежности. По мере возможности необходимо провести диагностику одного из электродвигателей с большим сроком эксплуатации с помощью приборов и по методикам, описанным в [64].

Для обоснования рекомендаций о необходимости приведения мощности электродвигателей к фактической мощности производственных механизмов выборочно делается проверочный расчет мощности по методикам, изложенным в [62]. При обнаружении завышения мощности электродвигателей по отношению к расчетной мощности производственных механизмов проводится предварительный расчет величины снижения электропотребления по методике, изложенной в [63].

Обоснование применения автоматизированного электропривода технологических насосов, компрессоров и вентиляторов основывается на анализе режимов их работы. Если режим работы длительный с постоянной нагрузкой, близкой к номинальной, то необходимости применения автоматизированного электропривода нет. Эффективность применения автоматизированного электропривода хорошо проявляется только в тех случаях, когда производственные механизмы работают с переменной нагрузкой, изменение которой связано с регулированием технологических параметров и их среднесуточная загрузка менее 80 %. Для выбранных систем электропривода производится расчет снижения потребляемой электроэнергии за счет уменьшения гидравлических потерь при регулировании расхода жидкости или газа путем изменения скорости вращения электродвигателей нагнетательных машин. Расчет проводится на основании методик, изложенных в [62, 63].

Обоснование включения автоматизированного электропривода в состав автоматических систем регулирования технологических параметров связано с возможностью повышения качества регулирования. Для этого проводится анализ работы регулирующих органов, делается сравнение их технических характеристик с характеристиками автоматизированного электропривода нагнетательных машин в плане точности установки требуемых расходов потоков жидкостей или газов. Это особенно важно для тех потоков, изменение которых реализуется с большими трудностями. Например, изменение производительности вентиляторов воздушных холодильников, дутьевых вентиляторов, дымососов и т. п.

Проверочный расчет мощности и выбор электродвигателей. Проверочный расчет мощности проводится для всех электродвигателей, работающих непрерывно длительное время. Расчет мощности проводится по методикам, изложенным в [62, 63], на основании технических характеристик всех производственных механизмов.

Для выбора электродвигателей используются следующие признаки:

а) мощность (Р_н ≥ Р_р) [54, 62, 63];

б) скорость вращения (n_дв = n_мех) [62, 63];

в) род тока (постоянного или переменного тока). В основном переменного тока, так как электроснабжение предприятий осуществляется на переменном токе [62];

г) принцип работы (для двигателей переменного тока). Предпочтение необходимо отдавать асинхронным двигателям как более простым по конструкции и надежности в эксплуатации и более дешевым. Синхронные двигатели выбираются для механизмов с циклической нагрузкой и большой мощности, когда достоинства асинхронных двигателей перекрываются более высокими значениями технико-экономических показателей синхронных двигателей [54, 62];

д) напряжение. При мощности Р_н ≤ 315 кВт используется напряжение до 1 кВ, а при мощности Р_н ≥ 250 кВт – напряжение свыше 1 кВ [62];

е) условия окружающей среды в местах установки электродвигателей [62, 63].

В последнем случае производится предварительный анализ окружающей среды во всех зонах, где предполагается установка электрооборудования и прокладка кабелей и шинопроводов по методике, изложенной в [62, 63].

В заключение данного раздела необходимо привести таблицу с техническими характеристиками выбранных электродвигателей.

Расчет мощности и выбор электрических преобразователей. В настоящее время электротехническая промышленность всех стран мира, в том числе и России, выпускает электрические преобразователи постоянного и переменного тока с тем же рядом мощностей и напряжений, который принят для электродвигателей. В паспортных данных электрических преобразователей указываются мощность и напряжение электродвигателей, для которых они предназначены. Поэтому основными условиями для выбора электрических преобразователей являются Р_{н эп} = Р_{н дв} и U_{н эп} = U_{н дв}. Для выбора электрических преобразователей переменного тока (преобразователи частоты) используется дополнительный признак – закон частотного управления [52, 55]. Если производственный механизм имеет вентиляторную нагрузку [52, 55], то выбираются преобразователи частоты с законом частотного управления типа U/f = const как наиболее дешевые. Если производственный механизм имеет нагрузку нулевого порядка [52, 55], то необходимо выбирать преобразователи частоты с законом частотного управления типа М_к = const.

В заключение данного раздела необходимо привести таблицу с техническими характеристиками выбранных электрических преобразователей и схему внешних подключений с указанием назначения силовых и информационных входов-выходов.

Разработка системы регулирования технологических параметров с применением автоматизированного электропривода. Разработка системы автоматического регулирования технологических параметров с применением автоматизированного электропривода проводится в следующей последовательности:

а) выбирается система автоматизированного электропривода одного из производственных механизмов;

а) выделяется технологический поток, который создается с помощью выбранного производственного механизма;

б) производится выбор регулируемого параметра, в качестве которого используется такой, на величину которого оказывает наибольшее влияние выявленный технологический поток (управляющее воздействие);

в) на базе выбранного регулируемого параметра и управляющего воздействия производится построение системы автоматического регулирования;

г) система автоматического регулирования технологического параметра оформляется в виде функциональной схемы по упрощенному варианту.

Способы регулирования основных химико-технологических процессов подробно рассмотрены в [65].

Выбор технических средств контроля и управления. Выбор технических средств контроля и регулирования производится на основании технической структуры исходя из их функционального назначения и условий окружающей среды из каталогов на современные средства автоматизации. В качестве управляющих устройств необходимо выбирать комплектные устройства на базе вычислительной техники. Можно использовать технические средства АСУТП действующего производства.

В заключение для всех выбранных технических средств контроля и регулирования приводятся таблицы с техническими характеристиками.

Расчет системы автоматизированного электропривода производственного механизма. Для расчета выбирается система автоматизированного электропривода одного из производственных механизмов. Расчет производится в два этапа. На первом этапе проводится расчет системы автоматического регулирования скорости вращения электропривода производственного механизма. На втором этапе рассчитывается система автоматического регулирования технологического параметра с применением автоматизированного электропривода того же производственного механизма.

Расчетная структурная схема системы автоматического регулирования скорости вращения формируется на основании динамических моделей систем автоматизированного электропривода, которые подробно рассмотрены в [52]. Для дополнительного обоснования выбора структурной схемы можно воспользоваться материалами, которые изложены в [53, 54, 58, 63]. Расчетная структурная схема системы автоматического регулирования технологического параметра с применением автоматизированного электропривода формируется на основании рекомендаций, приведенных в [58, 63]. Для расчета систем автоматического регулирования скорости и технологического параметра используется метод последовательной коррекции, суть которого подробно рассмотрена в [1]. Последовательность расчета применительно к электроприводу производственных механизмов разного типа излагается в [60, 61, 62, 63].

На заключительном этапе производится расчет переходных процессов и анализ качества регулирования по методикам, приведенным в [52, 57, 60, 61].