Анализ потерь электроэнергии в электроприводе аппарата воздушного охлаждения газа

Электротехнические комплексы и системы

Шабанов В.А.

Shabanov V.A.

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электротехника и электрооборудование предприятий» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», Россия, г. Уфа

Пашкин В.В.

Pashkin V.V.

аспирант кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», Россия, г. Уфа

Ивашкин О.Н.

Ivashkin O.N.

магистрант кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический универси тет», Россия, г. Уфа

УДК 621.31; 62-83

АНАЛИЗ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ АППАРАТА

ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА

В статье рассматриваются потери электроэнергии в процессе прямого и плавного (частотного) пуска асинхронного электродвигателя вентилятора аппарата воздушного охлаждения (АВО) газа. Показано, что пуск двигателя АВО газа в режиме противовключения приводит к увеличению времени пуска и увеличению потерь электроэнергии по сравнению с пуском из состояния покоя. Исследовано влияние величины начального скольжения на увеличение времени пуска электродвигателя и потерь электроэнергии в процессе пуска. С помощью исследований на виртуальной модели найдено критическое значение начального скольжения, при котором прямой пуск электродвигателя становится невозможным. Предложены и исследованы на виртуальной модели два способа исключения режима противовключения электродвигателя, проведен анализ предложенных способов с точки зрения времени пуска и величины потерь электроэнергии.

Ключевые слова: асинхронный двигатель, потери электроэнергии, время пуска, прямой пуск, частотный пуск, вентилятор.

ANALYSIS OF GAS AIR-COOLER ELECTRIC MOTOR ENERGY LOSS

This article consider the energy loss the direct and variable-frequency start-up asynchronous fan drive in the air cooler gas. The article shows that the engine start in the mode of opposition increases the time of start-up and increase losses of electricity during start-up, compared with the launch of the state of rest. In article influence of the value of the initial slip on increase in time of start of the motor, and electric power losses in the process of starting. Using a virtual model of the found value of the critical sliding in which the electric motor start-impossible. Proposed and investigated on the virtual model of two ways mode exception of opposition motor, the analysis of the methods from the point of view of the starting time and the value of losses of the electric power.

Key words: asynchronous engine, energy loss, start-up time, direct start-up, variable-frequency start-up, fan.

Вентилятор аппарата воздушного охлаждения газа перед его пуском может иметь обратное вращение, в результате чего приводной электродвигатель в начальный момент пуска оказывается в режи-

ме противовключения с начальным скольжением больше единицы (s > 1) [1, 2]. Такой режим может быть опасным для электродвигателя в тепловом отношении как из-за увеличения времени пуска, так

18

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 10, 2014

Electrical facilities and systems —

и увеличения пускового тока [3, 4]. К нагреванию двигателя приводят потери мощности в электродвигателе. Величина потерь мощности зависит от способа пуска и от длительности режима противовключения при пуске. В настоящее время применяется прямой пуск аппаратов АВО газа. Ввиду сравнительно небольшой мощности приводных электродвигателей напряжение питания при их пуске практически не снижается. При этом прямой пуск протекает при номинальном напряжении, что, с одной стороны, приводит к снижению времени пуска, а с другой стороны - к более интенсивному нагреву двигателя. В связи с разработкой частотнорегулируемых электроприводов АВО газа представляет интерес исследование частотного пуска и его сравнение с прямым пуском в режимах с противовключением. В статье проводится исследование

способов торможения двигателя в режиме противовключения и оценка потерь мощности в асинхронном двигателе в процессе его разгона.

Для исследований тепловых режимов электродвигателей широко используется моделирование в пакете Matlab и его приложение Simulink [5]. Разработанная имитационная модель для исследования пусковых процессов АВО газа приведена на рисунке 1. Модель содержит источник питания (блок «Three-Phase Source»), преобразователь частоты (блок «Frequency Converter»), асинхронный двигатель (блок «Asynchronous Machine BACO16-14-24» для двигателя типа BACO16-14-24) и модель нагрузки двигателя (блок «Mechanical Part ABO») [2]. Расчет потерь мощности и электроэнергии выполняется в блоке «dP BACO16-14-24».

Рассмотрим потери мощности и электроэнергии в электродвигателе BACO16-14-24 для двух способов прямого пуска и трех способов частотного

пуска:

1) прямой пуск при номинальном напряжении из состояния покоя;

2) прямой пуск при номинальном напряжении при наличии начального скольжения;

3) частотный пуск из состояния покоя;

4) применение плавного останова электродвигателя с помощью преобразователя частоты (ПЧ) при наличии начального скольжения и последую-

щий частотный пуск;

5) применение динамического торможения электродвигателя при наличии начального скольжения и последующий частотный пуск.

Критерием сравнения является величина потерь мощности в электродвигателе при прямом пуске при номинальном напряжении из состояния покоя.

Расчетные потери мощности в электродвигателе BACO16-14-24 при номинальном режиме работы представлены в таблице 1.

Расчетные потери мощности в номинальном режиме

Таблица 1

Наименование потерь Значение, Вт Значение в % от расчетной суммы потерь

Потери в обмотке статора, АР , г Г ? эл.1 ном. 3183,7 64,3

Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 10, 2014

19

Электротехнические комплексы и системы

Окончание таблицы 1

Наименование потерь Значение, Вт Значение в % от расчетной суммы потерь

Потери в обмотке ротора, ЛР 0 г г г у эл.2 ном. 593,8 12,0

Потери в стали, ЛР г ’ ст ном. 900,3 18,2

Механические потери, ЛР г ’ мех. ном. 247,5 5,0

Добавочные потери, ЛР , 24,8 0,5

Сумма расчетных потерь, ЛРном 4950,1 100,0

Потери по каталожному КПД, ЛРном 4950,1 100,0

При исследовании на модели в случае нерегулируемого электропривода блок «Frequency Converter» отключается и электродвигатель подключается к источнику «Three-Phase Source» напрямую, что соответствует прямому пуску при номинальном напряжении. Рассмотрим подробнее блок для оценки потерь мощности в электродвигателе «dP BACO16-14-24».

При работе с номинальной нагрузкой на валу при номинальном напряжении потери мощности в электродвигателе равны номинальным ЛРном и складываются из номинальных потерь в обмотке статора ЛРэл1ном, номинальных потерь в обмотке ротора ЛР , номинальных потерь в стали ЛР , номи-

эл.2ном.’ * ст.ном.’

нальных механических потерь ЛР и номинальных добавочных потерь ЛРдоб ном (таблица 1). В режимах, отличных от номинального, потери в обмотке статора и добавочные потери пропорциональны квадрату тока статора, потери в обмотке ротора пропорциональны квадрату тока ротора, а механические потери пропорциональны квадрату угловой скорости [3]. При нерегулируемом электроприводе при постоянных значениях частоты и напряжения питания потери в стали в процессе пуска не изменяются. Тогда для нерегулируемого электропривода для суммарных потерь электроэнергии при номинальном напряжении получаем:

ДР = ДР

эл.1 ном.

(—)2

'^1 ном/

+ ДР„

+ ДР

эл. 2 ном.

+ДРмех .НОМ. ’ (- ) + ДР доб .ном. "fj 1,

'*2 ном/ 'шном/ 'Ином/

где I I - текущее и номинальное значения тока статора; I2, 12ном- текущее и номинальное значения тока ротора; а>, тнош - текущее и номинальное значения угловой скорости.

При частотном регулировании потери в стали не остаются постоянными, а изменяются по сложному закону в функции частоты и напряжения [6, 7, 8].

Приближенно можно принять, что потери в стали при частотном регулировании пропорциональны квадрату напряжения и частоте питающего напряжения в степени 1,5 [6]. Тогда для регулируемого электропривода суммарные потери электроэнергии определяются по формуле (без учета потерь от высших гармоник):

где Up и1ном - текущее и номинальное значения напряжения статора; f f - текущее и номинальное значения частоты питающего напряжения.

Полученные на модели осциллограммы токов статора, временные характеристики угловой скорости и суммарных потерь электроэнергии при прямом пуске при номинальном напряжении из состояния покоя и при наличии начального скольжения s = 1,2 представлены на рисунках 2, 3 и 4 соответственно.

Из представленных осциллограмм видно, что при наличии начального скольжения s = 1,2 увели-

чивается время прямого пуска при номинальном напряжении с 11,5 до 16 секунд по сравнению с прямым пуском из состояния покоя. Согласно эксплуатационной документации АВО газа [9] рабочее колесо вентилятора в момент включения (подачи напряжения) не должно иметь вращения в обратную сторону. Для выполнения этого требования при наличии начального скольжения s >1 необходимо ротор двигателя затормозить. Рассмотрим два способа пуска вентилятора с использованием торможения до нулевой скорости, перечисленные выше под номерами 4 и 5: плавный останов венти-

20

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 10, 2014

Electrical facilities and systems

Рис. 2. Осциллограммы токов статора и временная характеристика угловой скорости при прямом пуске вентилятора АВО газа из состояния покоя

Рис. 3. Осциллограммы токов статора и временная характеристика угловой скорости при прямом пуске вентилятора АВО газа при наличии начального скольжения s = 1,2

Рис. 4. Временные характеристики потерь электроэнергии при прямом пуске из состояния покоя и

при начальном скольжении s = 1,2

Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 10, 2014

21

Электротехнические комплексы и системы

лятора с помощью ПЧ с последующим частотным разгоном (способ 4) и динамическое торможение с последующим частотным разгоном (способ 5). Для пояснения на рисунке 5 представлены временные характеристики частоты и амплитуды напряжения в относительных единицах в процессе плавной остановки и последующего частотного разгона.

На отрезке времени 0-4 секунды частота питающего напряжения изменяется от - 0,4 до 0 в от-

носительных единицах, что соответствует плавной остановке двигателя до нулевой скорости. После остановки рабочего колеса в момент времени 4 секунды производится частотный разгон вентилятора.

Временные характеристики суммарных потерь электроэнергии при частотном пуске из состояния покоя, при применении плавного останова с помощью ПЧ и динамического торможения при наличии начального скольжения s = 1,2 представлены на рисунке 6.

Рис. 5. Временные характеристики частоты и амплитуды напряжения в относительных единицах

Рис. 6. Временные характеристики потерь электроэнергии при частотном пуске из состояния покоя, плавном останове и динамическом торможении при наличии начального скольжения s = 1,2

Для получения численного значения потерь электроэнергии полученные временные характеристики суммарных потерь интегрируются имеющимся в библиотеке Simulink интегратором. С помощью виртуальной модели проведены исследования влияния величины начального скольжения на длительность пуска и на потери электроэнергии в процессе пуска. Результаты моделирования сведены в таблицу 2. Результаты моделирования показывают, что пуску вентилятора, имеющего начальное скольжение, сопутствует увеличение потерь электроэнергии и времени запуска. При начальном

скольжении s > 1,5 прямой пуск электродвигателя становится невозможным, т. к. пусковой момент электродвигателя оказывается меньше момента сопротивления механизма (строка s=1,6 в таблице 2).

Применение плавного останова с помощью ПЧ по сравнению с использованием динамического торможения примерно равноценно с точки зрения величины потерь электроэнергии, но является более эффективным с точки зрения времени пуска электродвигателя: время пуска снижается с 35 с при использовании плавного останова до 23 с по сравнению с применением динамического торможения.

22

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 10, 2014

Electrical facilities and systems

Время пуска и потери электроэнергии за время пуска

Таблица 2

Способ пуска Прямой пуск Плавный останов и частотный пуск Динамическое торможение и частотный пуск

s=1 Время, с 11,5 19 19

Потери, Вт 8,4105 0,8105 0,8105

s=1,2 Время, с 16 23

Потери, Вт 12,5105 0,9105 1,0105

s=1,4 Время, с 25 35

Потери, Вт 19,9105 1,2105 2,0105

s=1,5 Время, с 37 59(40+19) -

Потери, Вт 30,4105 1,9105 -

s=1,6 Время, с Запуск невозможен 79 (60+19) -

Потери, Вт 2,5105 -

Для реализации динамического торможения необходимо применение тормозного резистора и коммутационных аппаратов для подключения выпрямителя ПЧ к обмоткам статора. Наличие дополнительных электротехнических элементов снижает надежность устройства в целом. Регулирование динамического торможения является сложным процессом вследствие того, что выпрямитель в составе ПЧ, как правило, неуправляемый. Для частотного торможения достаточно только наличия функции «подхвата» в ПЧ с последующим плавным снижением частоты питающего напряжения до нуля.

Таким образом, наиболее эффективным способом исключения пуска электродвигателя в режиме противовключения является частотное торможение с последующим частотным разгоном.

Выводы

1. Применение частотно-регулируемого электропривода АВО газа позволяет не только уменьшить потери электроэнергии в электродвигателе в пусковых режимах, но и путем торможения устранить обратное вращение рабочего колеса, а также запускать вентилятор в соответствии с требованиями эксплуатационной документации из состояния покоя.

2. При частотно-регулируемом электроприводе, в отличие от прямого пуска, обеспечивается пуск АВО газа при любом значении скорости обратного вращения.

Список литературы

1. Шабанов В.А. Анализ пуска электроприводов автоматического охлаждения газа в режиме противовключения [Текст] / В.А. Шабанов, В.В. Пашкин // Нефтегазовое дело. - № 1. - 2013. - С. 27-36.

2. Ивашкин О.Н. Моделирование процесса пуска электропривода АВО в режиме противо-

включения [Текст] / О.Н. Ивашкин, В.В. Пашкин,

B. А. Шабанов // Сборник научных трудов I Международной (IV Всероссийской) научно-технической конференции «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий». - Уфа: Нефтегазовое дело, 2013. - С. 127-133.

3. Вольдек А.И. Электрические машины. Машины переменного тока: учебник для вузов [Текст] / А.И. Вольдек, В.В. Попов. - Спб.: Питер, 2008. -

C. 359.

4. Малиновский А.К. Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников: учебник для вузов [Текст] / А.К. Малиновский

- М.: Недра, 1987. - С. 275.

5. Браславский И.Я. Использование приложения Simulink для оценки потребления электроэнергии асинхронным электроприводом [Текст] / И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов, Ю.В. Плотников // Труды Второй Всероссийской научной конференции «Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB». - М.: ИПУ РАН, 2004.

- С. 1387-1394.

6. Фираго Б.И. Регулируемые электроприводы переменного тока [Текст] / Б.И. Фираго, Л.Б. Пав-лячик. - Минск: Техноперспектива, 2006. - С. 585.

7. Аппараты воздушного охлаждения природного газа типа АВГ - 75С: инструкция по монтажу и эксплуатации 712.1 ИЭ. Екатеринбург, ОАО «Урал-ХимМаш», 1994. - С. 16.

8. Шабанов В.А. Алгоритм оценки эффективности частотно-регулируемого электропривода магистральных насосов эксплуатируемых нефтепроводов по критерию снижения расхода электроэнергии [Текст] / В.А. Шабанов, Э.Ф. Хакимов, С.Ф. Шарипова // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2013. - № 2 (9). - С. 34-42.

Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 10, 2014

23

Электротехнические комплексы и системы

9. Казаков Ю.Б. Зависимость потерь в асинхронных двигателях от параметров широтноимпульсного регулирования напряжения [Текст] / Ю.Б. Казаков, А.А. Шумин, В.А. Андреев // Вестник ИГЭУ. - 2007. - Выпуск 3. - С. 1-4.

References

1. Shabanov V.A. Analiz puska jelektroprivodov avtomatiches-kogo ohlazhdenija gaza v rezhime protivovkljucheniia [Tekst] / V.A. Shabanov, V.V. Pashkin // Neftegazovoe delo. - № 1. - 2013.

- S. 27-36.

2. Ivashkin O.N. Modelirovanie processa puska jelektroprivoda AVO v rezhime protivovkljuchenija [Tekst] / O.N. Ivashkin, V V Pashkin, V.A. Shabanov// Sbornik nauchnyh trudov I Mezhdunarod-noj (IV Vserossijskoj) nauchno-tehnicheskoj konferencii «Jelektro-privod, jelektrotehnologii i jelektrooborudovanie predprijatij».

- Ufa: Neftegazovoe delo, 2013. - S. 127-133.

3. Vol’dekA.I. Jelektricheskie mashiny. Mashiny peremennogo toka: uchebnik dlja vuzov [Tekst] / A.I. Vol'dek, V.V. Popov. - Spb.: Piter, 2008. - S. 359.

4. Malinovsky A.K. Avtomatizirovannyj jelektroprivod mashin i ustanovok shaht i rudnikov: uchebnik dlja vuzov [Tekst] / A.K.

Malinovskij - M.: Nedra, 1987. - S. 275.

5. Braslavsky I.Ja. Ispol'zovanie prilozhenija Simulink dlja ocenki potreblenija jelektrojenergii asinhronnym jelektroprivodom [Tekst] / I.Ja. Braslavskij, Z.Sh. Ishmatov, Ju.V. Plotnikov // Trudy Vtoroj Vserossijskoj nauchnoj konferencii «Proektirovanie inzhen-ernyh i nauchnyh prilozhenij v srede MATLAB». - M.: IPU RAN, 2004. - S. 1387-1394.

6. Firago B.I. Reguliruemye jelektroprivody peremennogo toka [Tekst] / B.I. Firago, L.B. Pavljachik. - Minsk: Tehnopersnek-tiva, 2006. - S. 585.

7. Apparaty vozdushnogo ohlazhdenija prirodnogo gaza tipa AVG - 75S: instrukcija po montazhu i jekspluatacii 712.1 IJe. Ekaterinburg, OAO «UralHimMash», 1994. - S. 16.

8. Shabanov V.A. Algoritm ocenki jeffektivnosti chastotno-reguliruemogo jelektroprivoda magistral'nyh nasosov jekspluat-iruemyh nefteprovodov po kriteriju snizhenija rashoda jelektro-jenergii [Tekst] / V.A. Shabanov, Je.F. Hakimov, S.F. Sharipova // Jelektrotehnicheskie i informacionnye kompleksy i sistemy. -2013. - № 2 (9). - S. 34-42.

9. Kazakov Yu.B. Zavisimost' poter' v asinhronnyh dvigateljah ot parametrov shirotno-impul'snogo regulirovanija naprjazhenija [Tekst] / Yu.B. Kazakov, A.A. Shumin, V.A. Andreev // Vestnik IGJeU. - 2007. - Vypusk 3. - S. 1-4.

Возмилов А.Г.

Vozmilov A.G.

доктор технических наук, профессор кафедры «Энергообеспечение сельского хозяйства» ФГБОУ ВПО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», Россия, г. Тюмень

Андреев Л.Н. Andreev L.N.

кандидат технических наук, доцент кафедры «Энергообеспечение сельского хозяйства» ФГБОУ ВПО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», Россия, г. Тюмень

Дмитриев А.А. Dmitriev A.A.

аспирант кафедры «Энергообеспечение сельского хозяйства» ФГБОУ ВПО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья»,

Россия, г. Тюмень

Жеребцов Б.В. Zherebtsov B. V.

преподаватель кафедры «Энергообеспечение сельского хозяйства» ФГБОУ ВПО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья»,

Россия, г. Тюмень

УДК 621.356.48:622.794.7

ОБ ОСНОВНЫХ ЗАДАЧАХ, РЕШАЕМЫХ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

МОКРЫХ ЭЛЕКТРОФИЛЬТРОВ

В статье описаны задачи, решаемые при проектировании мокрых электрофильтров: расчет эффективности очистки воздуха по исходным параметрам существующей установки и наоборот; расчет параметров электрофильтра при известности эффективности очистки. Для решения задачи первого типа в данной статье приведены методики расчета основных конструктивных и технологических параметров мокрого электро-

24

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 10, 2014