УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ДВУХСКОРОСТНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ДУТЬЕВОГО ВЕНТИЛЯТОРА
DEVICE FOR CONTROLLING DUAL-SPEED MOTOR OF BLOWER FAN

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах дутьевых вентиляторов котельных агрегатов.
Известно устройство управления двухскоростным электродвигателем с короткозамкнутым ротором и двумя независимыми статорными обмотками с различным числом пар полюсов, содержащее датчик скорости, установленный на валу электродвигателя, управляемый преобразователь, выход которого подключен к статорной обмотке с меньшим числом полюсов, управляемый выпрямитель, выход которого подключен к статорной обмотке с большим числом полюсов, первый и второй блоки регулирования, выходы которых соединены соответственно с управляющими входами управляемого преобразователя и управляемого выпрямителя, а входы - с выходом блока сравнения, информационный вход которого соединен с выходом датчика скорости, первый задающий вход блока сравнения соединен с первым выходом блока формирования сигналов управления, вход которого соединен с выходом блока задания, два нуль-органа, первый из которых содержит на выходе регулируемый фильтр (см. авторское свидетельство №1030941, МПК Н02Р 5/40).
Недостатком известного устройства является низкий коэффициент полезного действия (КПД) электропривода. В установившемся режиме электродвигатель работает на высокоскоростной обмотке независимо от задания установившейся скорости. При широком диапазоне регулирования скорости электродвигатель работает на искусственных характеристиках при пониженных значениях подводимого напряжения. При снижении подводимого напряжения уменьшается КПД электродвигателя, что приводит к повышенному потреблению электрической энергии. Кроме того, снижение выходного напряжения регулируемого преобразователя приводит к уменьшению коэффициента мощности. Это также приводит к дополнительным потерям и повышенному потреблению электрической энергии.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является устройство управления двухскоростным электродвигателем, снабженным высокоскоростной и низкоскоростной обмотками статора, содержащее силовой модуль полупроводникового преобразователя напряжения, вход которого подключен к трехфазной сети переменного тока, а выход через первый силовой коммутирующий элемент подключен к низкоскоростной обмотке статора и через второй коммутирующий элемент - к высокоскоростной обмотке статора, управляющий блок, первый вход которого подключен к выходу командного блока, второй вход - к выходу датчика первого контролируемого параметра, а выход - к управляющим входам силового модуля полупроводникового преобразователя напряжения, датчик второго контролируемого параметра, которое предназначено для ступенчатого изменения скорости вращения электродвигателя, в том числе в электроприводах дутьевых вентиляторов котельного агрегата (см. патент РФ №2071165, МПК Н02Р 7/62).
Недостатком известного устройства является низкий коэффициент мощности электропривода дутьевого вентилятора. Известно, что такие электроприводы работают в широком диапазоне регулирования скорости. Диапазон изменения производительности дутьевого вентилятора, как правило, находится в пределах от 0,3÷0,5 номинальной до номинальной производительности. Соответственно в таком же диапазоне регулируется скорость его электродвигателя. В известном устройстве в установившемся режиме обеспечивается работа электродвигателя только на высокоскоростной обмотке. Переключение силового модуля полупроводникового преобразователя на низкоскоростную обмотку осуществляется в динамических режимах разгона и торможения. Эти режимы не являются характерными для дутьевых вентиляторов котлов и при нормальной эксплуатации осуществляются, как правило, несколько раз в месяц. Работа электродвигателя во всем диапазоне регулирования скорости только на обмотке высокой скорости приводит к снижению его коэффициента полезного действия.
Вторым недостатком является то, что вследствие значительного снижения напряжения (в 2-3 раза) пропорционально увеличивается степень регулирования напряжения силового блока полупроводникового преобразователя. Вследствие этого преобразователь переходит в "сильно зарегулированный" режим. Это приводит к снижению его КПД и коэффициента мощности.
Кроме того, регулирование напряжения, осуществляемое в известном устройстве с помощью полупроводникового преобразователя напряжения, обладает недостатками по сравнению с частотным регулированием скорости электродвигателя, осуществляемым преобразователем частоты. К недостаткам относятся худшие энергетические показатели и соответственно повышенные потери электрической энергии.
В результате названных недостатков снижаются эквивалентный КПД и коэффициент мощности электропривода. Это приводит к увеличению потребления электрической энергии, не связанной с обеспечением технологического режима котельного агрегата.
Технический результат предлагаемого изобретения - снижение потребления электрической энергии за счет повышения эквивалентного КПД электропривода дутьевого вентилятора при обеспечении заданного технологического режима котельного агрегата.
Технический результат достигается тем, что устройство управления двухскоростным электродвигателем дутьевого вентилятора котельного агрегата, снабженным высокоскоростной и низкоскоростной обмотками статора, содержащее силовой модуль полупроводникового преобразователя напряжения, вход которого подключен к трехфазной сети переменного тока, а выход через первый коммутирующий элемент подключен к низкоскоростной обмотке статора и через второй коммутирующий элемент - к высокоскоростной обмотке статора, управляющий блок, первый вход которого подключен к выходу командного блока, второй вход - к выходу датчика первого контролируемого параметра, а выход - к управляющим входам силового модуля полупроводникового преобразователя напряжения, датчик второго контролируемого параметра, согласно изобретению оно дополнительно снабжено блоками вычисления производительности, задания диапазонов регулирования и зоны нечувствительности, управления коммутацией, при этом вход блока вычисления производительности соединен с выходом датчика второго контролируемого параметра, механически соединенного с дутьевым вентилятором, а выход - с входом блока задания диапазонов регулирования и зоны нечувствительности, выход которого подключен к входу блока управления коммутацией, выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго коммутирующих элементов.
В заявляемом устройстве в качестве коммутирующих элементов применены силовые управляемые ключи, при этом силовой модуль полупроводникового преобразователя напряжения выполнен в виде преобразователя частоты, в качестве первого контролируемого параметра принимается разрежение в топке котла, в качестве второго контролируемого параметра принимается расход воздуха дутьевого вентилятора, а в качестве командного блока используется блок задания разрежения в топке котла.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема устройства управления двухскоростным электродвигателем дутьевого вентилятора котельного агрегата.
Устройство управления двухскоростным электродвигателем 1 дутьевого вентилятора 2 котельного агрегата, снабженным высокоскоростной 3 и низкоскоростной 4 обмотками статора, содержит силовой модуль 5 полупроводникового преобразователя напряжения. Вход силового модуля 5 подключен к трехфазной сети 6 переменного тока, а выход через первый 7 коммутирующий элемент подключен к низкоскоростной обмотке 4 статора и через второй 8 коммутирующий элемент - к высокоскоростной обмотке 3 статора. Заявляемое устройство также содержит управляющий блок 9, первый вход которого подключен к выходу командного блока 10, второй вход - к выходу датчика первого 11 контролируемого параметра, а выход - к управляющим входам силового модуля 5 полупроводникового преобразователя напряжения. Устройство управления также содержит датчик второго 12 контролируемого параметра. Заявляемое устройство дополнительно снабжено блоком вычисления производительности 13, блоком задания диапазонов регулирования 14 и зоны нечувствительности, блоком управления коммутацией 15. При этом вход блока вычисления производительности 13 соединен с выходом датчика второго 12 контролируемого параметра, механически соединенного с дутьевым вентилятором, а выход - с входом блока задания диапазонов регулирования 14 и зоны нечувствительности. Выход указанного блока 14 подключен к входу блока управления коммутацией 15, выходы которого соединены с управляющими входами первого 7 и второго 8 коммутирующих элементов.
Отличительными признаками заявляемого устройства являются:
- дополнительное введение блока вычисления производительности 13 дутьевого вентилятора, вход которого соединен с выходом датчика расхода воздуха 12, механически соединенного с дутьевым вентилятором 2;
- дополнительное введение блока задания диапазонов регулирования 14 и зоны нечувствительности, соединенного с выходом блока вычисления производительности 13 дутьевого вентилятора 2:
- использование в качестве коммутирующих элементов 7 и 8 силовых управляемых ключей и подключение выходов блока управления коммутацией 15 на их управляющие входы;
- использование в качестве силового модуля 5 полупроводникового преобразователя напряжения - преобразователя частоты, в качестве командного блока 10 - блока задания разрежения в топке котла, а в качестве первого контролируемого параметра - разрежения в топке котла.
В заявляемом устройстве первый отличительный признак обеспечивает использование в качестве контролируемого параметра расхода воздуха дутьевого вентилятора и вычисление производительности дутьевого вентилятора по текущему расходу воздуха.
Согласно второму отличительному признаку обеспечивается разделение диапазонов регулирования, в которых осуществляется работа электродвигателя 1 на высокоскоростной 3 и низкоскоростной 4 обмотках статора. Также обеспечивается задание зоны нечувствительности, которая исключает бесконтрольное переключение силового блока с одной обмотки на другую при производительностях дутьевого вентилятора, близких к граничному значению.
Третий отличительный признак обеспечивает управляемое переключение высокоскоростной и низкоскоростной обмоток статора в зависимости от текущего значения производительности дутьевого вентилятора и граничных значений, заданных в блоке задания диапазонов регулирования и зоны нечувствительности.
Вычисление производительности дутьевого вентилятора по расходу воздуха, определяемому с помощью датчика расхода воздуха 12, использование в качестве силового модуля 5 полупроводникового преобразователя частоты и использование в качестве контролируемого параметра разрежения в топке котла известны и применяются в системах регулирования технологических параметров котельных агрегатов (см., например, патент РФ №2349838, МПК F23N 1/02). Однако в известных технических решениях они направлены на обеспечение замкнутого регулирования технологических параметров и не обеспечивают достижения технического результата заявляемого изобретения.
Перечисленные отличительные признаки обеспечивают автоматический перевод электродвигателя 1 с высокоскоростной 3 обмотки на низкоскоростную 4 в сочетании с частотным регулированием скорости на обеих обмотках. Переключение обмоток осуществляется в зависимости от диапазона (верхнего или нижнего), в котором находится текущее значение производительности дутьевого вентилятора. За счет этого обеспечивается повышение коэффициентов полезного действия электродвигателя и преобразователя частоты. В результате повышаются эквивалентный КПД и коэффициент мощности частотно-регулируемого электропривода. В целом это обеспечивает снижение потребления электрической энергии.
Устройство управления двухскоростным электродвигателем 1 дутьевого вентилятора 2 котельного агрегата работает следующим образом.
С выхода командного блока 10 на первый вход управляющего блока 9 подается сигнал задания разрежения (давления) газовоздушной смеси в топке котла. С помощью этого сигнала, а также сигнала, поступающего с выхода датчика 11 разрежения в топке котла, управляющий блок 9, силовой модуль 5 полупроводникового преобразователя частоты и двухскоростной электродвигатель 1 обеспечивают замкнутое регулирование разрежения. Это является основным условием устойчивой работы котельного агрегата.
С помощью датчика второго 12 контролируемого параметра обеспечивается непрерывный контроль расхода воздуха, поступающего от дутьевого вентилятора 2. При этом блок 13 осуществляет вычисление производительности дутьевого вентилятора, информация о которой поступает на вход блока 14 задания диапазонов регулирования и зоны нечувствительности.
В блок 14 задания диапазонов регулирования и зоны нечувствительности предварительно задается граничное значение производительности дутьевого вентилятора 2, выше которого находится верхний диапазон, а ниже - соответственно нижний диапазон регулирования производительности. В блок 14 также задают информацию о "ширине" зоны нечувствительности относительно граничного значения, которая может изменяться от 5 до 10% диапазона регулирования производительности. При изменении производительности в пределах верхнего диапазона осуществляется работа электродвигателя 1 на высокоскоростной обмотке 3. При переходе через нижнее граничное значение зоны нечувствительности осуществляется переключение электродвигателя 1 с высокоскоростной обмотки 3 статора на низкоскоростную обмотку 4. При увеличении производительности до верхней границы зоны нечувствительности происходит обратное переключение обмоток.
В зависимости от соответствия текущего значения производительности заданным диапазонам регулирования производительности в блоке 15 управления коммутацией формируются сигналы на включение либо отключение силовых управляемых ключей 7, 8. В диапазоне регулирования производительности выше заданного граничного значения (верхний диапазон регулирования производительности) силовой управляемый ключ 8 замкнут, а силовой управляемый ключ 7 разомкнут. С выхода силового модуля 5 полупроводникового преобразователя частоты подается напряжение на высокоскоростную обмотку 3 электродвигателя 1. Электродвигатель работает на высокоскоростной обмотке с частотным регулированием скорости.
При снижении производительности дутьевого вентилятора 2 ниже границы зоны нечувствительности, заданной в блоке 14 задания диапазонов регулирования и зоны нечувствительности, т.е. при переходе из верхнего диапазона регулирования производительности в нижний в блоке 15 управления коммутацией, формируются сигналы на размыкание силового управляемого ключа 8 и замыкание силового управляемого ключа 7. За счет этого осуществляется перевод электродвигателя 1 с высокоскоростной обмотки 3 на низкоскоростную обмотку 4. Работа остальных блоков и узлов устройства при этом не изменяется. Автоматическое регулирование разрежения в топке котла и заданная производительность дутьевого вентилятора обеспечиваются. В целом обеспечивается устойчивая работа котельного агрегата как в верхнем, так и в нижнем диапазонах регулирования производительности.
В известных частотно-регулируемых электроприводах с двухскоростными асинхронными двигателями частотное регулирование скорости осуществляется при работе электродвигателя только на высокоскоростной обмотке. Производительность дутьевого вентилятора водогрейного котла изменяется в широких пределах: от 0,3÷0,5 номинальной до номинального значения. Соответственно в таком же диапазоне регулируется скорость приводного электродвигателя.
H
H
AДн(ВС)
AДн(ВС)
AДн(ВС)
Η
AД0,3н(ВС)
Коэффициент полезного действия электродвигателя по мере снижения скорости его вращения снижается. В известном устройстве регулирование скорости во всем диапазоне от номинального значения ω вниз до 0,3 ω обеспечивается только на высокоскоростной (ВС) обмотке электродвигателя. При этом КПД электродвигателя уменьшается от номинального значения η до 0,89η. Для распространенных двухскоростных электродвигателей мощностью 250 кВ величина номинального КПД электродвигателя η=0,91. В этом случае при снижении скорости до 0,3 ω его КПД уменьшается до η=0,815 (см. Герасимов Д.О., Гоппе Г.Г. Энергосберегающее управление тягодутьевыми механизмами котлоагрегагатов тепловых электрических станций с использованием ресурсов электропривода // Информатика и системы управления №1. - Благовещенск, 2009. - С. 136-145).
ΠЧн
ПЧн
ЭКВн(ВС)
ЭКВ0,3н(ВС)
CРвзв(BC)
Аналогично снижается КПД преобразователя частоты от η=0,94 до 0,915η=0,86. Эквивалентный КПД электропривода дутьевого вентилятора уменьшается от η=0,955 до η=0,7. При условии равновероятностной работы дутьевого вентилятора в каждой точке всего диапазона регулирования производительности средневзвешенный эквивалентный КПД электропривода в известном устройстве η=0,81. Это приводит к дополнительному потреблению электрической энергии.
Η
Н
AДн(ВС)
AДн(ВС)
Согласно заявляемому техническому решению работа электродвигателя на высокоскоростной обмотке обеспечивается в диапазоне регулирования скорости от номинальной ω вниз до 0,75 ω (верхний диапазон регулирования). При этом КПД электродвигателя снижается от вышеуказанного номинального значения η=0,91 до 0,95η=0,865. При дальнейшем снижении скорости и переходе через зону нечувствительности осуществляется автоматическое переключение электродвигателя на низкоскоростную обмотку. При этом частотное регулирование его скорости сохраняется.
AДн(ВС)
ΠЧн
Н
Н
AД0,3н(ВС)
ΠЧн
СРвзв(ВС-НС)
При переключении электродвигателя с высокоскоростной обмотки на низкоскоростную его КПД повышается до номинального значения на низкоскоростной обмотке, которое несколько ниже аналогичного значения для высокоскоростной обмотки и составляет η=0,89. Преобразователь частоты переходит в менее зарегулированный режим, его КПД повышается до номинального уровня η=0,94. Далее при уменьшении скорости от 0,75 ω до 0,3 ω (нижний диапазон регулирования) КПД двигателя снижается до η=0,87, КПД преобразователя частоты снижается до 0,9η=0,92. При условии равновероятностной работы дутьевого вентилятора в каждой точке диапазона регулирования производительности для случая переключения с высокоскоростной на низкоскоростную обмотку (ВС-НС) средневзвешенный КПД электропривода в заявляемом устройстве составляет η=0,86. Таким образом, эквивалентный КПД электропривода в заявляемом устройстве на 6,2% выше, чем в известном техническом решении. Это приводит к пропорциональному уменьшению потребления электрической энергии электроприводом из сети.
В целом, заявляемое устройство управления двухскоростным электродвигателем дутьевого вентилятора обеспечивает снижение потребления электрической энергии при обеспечении заданного технологического режима котельного агрегата.