Результаты внедрения частотно-регулируемых электроприводов в производстве автошин

3. Кононенко, В. О. Колебательные системы с ограниченным возбуждением / В. О. Кононенко. - М.: Наука, 1964.-254 с.

Горбунов Алексей Александрович, старший преподаватель кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ.

Гаврнлов Евгений Николаевичу аспирант кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ. Дмитриев Владимир Николаевичу доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ.

УДК 621.313.333

Е. В. ТУМАЕВА, Н. И. ГОРБАЧЕВСКИЙ, Е. Н. ГАВРИЛ0В, Р. Н. ГАНИЕВ

РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ АВТОШИН

В сжатой форме рассмотрены основные результаты 10-летней практики внедрения частотно-регулируемых электроприводов в действующем производстве автошин.

Ключевые слова: частотно-регулируемый электропривод, эффективность использования асинхронных двигателей, метод эквивалентного тока.

Наметившийся в стране значительный рост промышленного производства в последние годы обусловил требование внедрения высокоэффективных энергосберегающих технологий, которые, как правило, базируются на применении регулируемых электроприводов.

Современные регулируемые электроприводы являются не только энергосиловой составляющей производственного механизма, но и средством реализации задач технологического процесса, так как задачи по реализации качества производственных процессов возлагаются на системы управления регулируемыми электроприводами в сочетании с системами технологической автоматики [1].

Решение задач энергосбережения в системах автоматизированного электропривода (АЭП) возможно по двум направлениям [2]:

- оптимизация производственно-технологических задач;

- внедрение современных частотно-регулируемых приводов (ЧРП).

До недавнего времени основой регулируемых электроприводов на территории ОАО «Нижнекамскшина» являлись двигатели постоянного тока, но в последнее время в рамках про-

© Е. В. Тумаева, Н. И. Горбачевский, Е. Н. Гаврилов, Р. Н. Ганиев, 2009

граммы модернизации их заменяют асинхронными двигателями, получающими питание от преобразователей частоты. Это связано с низкой стоимостью и эксплуатационными преимуществами последних. В настоящее время доля внедрения ЧРП на заводе грузовых шин ОАО «Нижнекамскшина» в общем объёме технологических приводов составляет 45%, ведутся дальнейшие работы по модернизации. Задача модернизации электропривода является не простой, поскольку её решение должно быть выполнено на основе ряда критериев.

ч Замена двигателя - один из главных этапов модернизации электропривода, так как именно двигатель осуществляет электромеханическое преобразование энергии и в значительной мере определяет технические и экономические качества привода в целом. Выбор механической передачи обычно осуществляется вместе с выбором двигателя и производится с учётом правила: комплекс «двигатель - передача - рабочий орган» должен отвечать принятому критерию, в качестве которого может использоваться минимальная масса, минимальная стоимость, максимальный КПД и т. п. В приводах, где существенны динамические режимы, в качестве критерия может рассматриваться минимизация потерь энергии.

Одним из основных требований к двигателю является надёжность его работы при минимуме

капитальных затрат и эксплуатационных издержек. Это требование может быть удовлетворено лишь при выборе двигателя соответствующей мощности. Применение двигателя завышенной мощности влечёт за собой неоправданное повышение капитальных вложений, снижение КПД, а для асинхронных двигателей - ухудшение коэффициента мощности. Применение двигателей недостаточной мощности может привести к нарушению нормальной работы механизма, возникновению аварий и сокращению нормального срока службы двигателя [3].

В рамках выполнения научно-исследо-вательской работы на ОАО «Нижнекамскшина» проводилась предремонтная инструментальная оценка асинхронных двигателей, которые были установлены на технологическом оборудовании сборочного производства завода грузовых шин в рамках программы модернизации регулируемых электроприводов.

Основной задачей предремонтной инструментальной оценки электродвигателей являлось определение их целесообразности и эффективности использования с точки зрения обеспечения следующих показателей:

1) требований Правил устройства электроустановок;

2) правильности выбора двигателей.

Для того чтобы оценить выполнение требований Правил устройства электроустановок [4], был проведён анализ вида защиты установленных электродвигателей и измерено сопротивление изоляции обмоток статоров.

В целях обеспечения правильности выбора

электродвигателей должны учитываться требования, предъявляемые к электроприводам, и режимы работы приводных двигателей.

Учитывая, что исследуемые асинхронные двигатели получают питание от преобразователей частоты и работают в широком диапазоне регулирования скорости, необходимо использовать двигатели для частотного регулирования. В связи с этим оценивались типы установленных асинхронных двигателей. Для того чтобы оценить правильность выбора двигателей по способу охлаждения, производились замеры температуры корпусов двигателей в рабочем режиме. Были учтены также режимы работы асинхронных двигателей, определяемые непосредственно технологическими процессами [5].

Оценить правильность выбора установленных двигателей, которые должны обеспечивать требуемые моменты, с учётом различных режимов работы электропривода позволяет метод средних потерь [3]. Однако этот метод требует

знания кривой КПД двигателя в функции его нагрузки и предварительного определения потерь на каждом из участков нагрузочной диаграммы, что несколько усложняет проверочный расчёт.

В распоряжении исполнителей работ имелись кривые действующего значения фазного тока статора двигателя в функции времени, снятые в рабочем режиме, поэтому проверка двигателей по нагреву проводилась без вычисления средних потерь, но с помощью метода эквивалентного тока. Метод эквивалентного тока исходит из предположения независимости потерь в стали и механических потерь от нагрузки и предполагает постоянство сопротивления главной цепи двигателя на всех участках заданного графика нагрузки. Строго говоря, при частотном регулировании двигателя указанные потери не постоянны, однако анализ снятых тахограмм показывает, что глубокого частотного регулирования на исследуемых асинхронных двигателях нет, поэтому указанные выше потери были приняты постоянными. Вычисленный эквивалентный ток сопоставлялся с номинальным током исследуемого двигателя. Вывод об обеспечении требований нагрева и правильности выбора установленного двигателя делался в случае, если 7 о < /„_.

* зкв ном

При использовании двигателя, предназначенного согласно его типу для продолжительного режима 81, номинальный ток двигателя определялся по формуле

-^ном ~ ^экв ^?

(О

где е - относительная продолжительность включения.

В повторно-кратковременном режиме 83 ограничены длительность цикла < 10 мин) и относительная продолжительность включения (е <0,6), а также введены стандартные значения

8СГ = 0,15; 0,25; 0,4; и 0,6.

Если используется двигатель, предназначенный для повторно-кратковременного режима БЗ, то выбирается ближайшее стандартное значение

8СТ, тогда номинальный ток двигателя определяется по формуле

^НОМ б^т ^экв

ст

Для определения правильности выбора установленных двигателей были определены продолжительность включения (ПВ) и эквивалентный ток каждого двигателя, а также проведена ориентировочная проверка двигателей по нагреву методом эквивалентного тока.

В качестве примера рассмотрим асинхронные двигатели, установленные на технологическом агрегате ОРМ. ОРМ представляет собой одно-ножевую резательную машину, предназначенную для раскроя текстильного корда. В составе ОРМ имеется два частотно-регулируемых электропривода:

1) электропривод резательного транспортера;

2) электропривод каретки ножа.

Резательный транспортер обеспечивает подачу текстильного корда требуемой ширины, поэтому к электроприводу резательного транспортера предъявляются следующие требования: точное позиционирование, высокая точность поддержания скорости в установившемся режиме, широкий диапазон регулирования скорости. Раскрой ткани производится ножом, который смонтирован на каретке. Каретка перемещается по диагонали, в связи с этим необходимо обеспечить точность позиционирования, реверс и широкий диапазон регулирования.

В результате модернизации электропривода резательного транспортера был установлен асинхронный двигатель типа АИРМ112МВ6. Согласно паспортным и справочным [5, 6] данным двигатель имеет номинальные данные: Р„ -4,0 кВт; и„ - 380 В; п„ - 950 об/мин; соэф - 0,81; г| — 82 %; 1„ = 9,2 А. Двигатели данного типа рассчитаны для работы в продолжительном режиме Б1, имеют степень защиты 1Р54, способ охлаждения 1С0141, класс нагревостойкости изоляции Р (предельно допустимая температура нагрева изоляции = 155°С, предельно допустимая температура нагрева обмоток = 140°С). По результатам измерений сопротивление изоляции обмоток двигателя АИРМ112МВ6 составляет Киз = 500 МОм, что значительно больше нормы, температура корпуса двигателя Т = 40 °С, что не превышает предельно допустимой температуры нагрева изоляции и не требует применения независимой вентиляции. Степень защиты двигателя соответствует классу пожароопасной зоны.

Временная диаграмма действующего значения фазного тока статора двигателя за один цикл работы резательного транспортера представлена на рис. 1.

Определённая по рис. 1 ПВ двигателя составляет 83 %, т. е. его режим работы относится к продолжительному режиму S1. Значение эквивалентного тока, рассчитанного по методу средних потерь 1зкв = 4,37 А, расчётное значение номинального тока двигателя для продолжительного режима работы с г = 0,83 1Н0М = 3,98 А. Таким образом был сделан вывод о том, что выбранный двигатель удовлетворяет требованиям проверки двигателя по нагреву и может быть оставлен для дальнейшей эффективной эксплуатации.

В результате модернизации электропривода каретки ножа был установлен асинхронный двигатель типа МТКР1126У. Согласно паспортным и справочным данным [5,6] двигатель имеет номинальные данные: Р„ при ПВ = 40% - 5,0 кВт; U„ - 380 В; пн - 910 об/мин; coscp - 0,73; т] -74%; 1ном при ПВ = 40% - 14 А. Двигатели данного типа выпускаются для электроприводов крановых механизмов, рассчитаны для работы в повторно-кратковременном режиме, обладают повышенной перегрузочной способностью, большими пусковыми моментами при сравнительно небольших пусковых токах. Класс нагревостойкости изоляции F (предельно допустимая температура нагрева изоляции = 155 °С, предельно допустимая температура нагрева обмоток = 140 °С), степень защиты оболочки двигателя IP44, способ охлаждения IC0141. Согласно измерениям сопротивление изоляции обмоток двигателя MTKF1126y составляет RH3 = 300 МОм, что значительно больше нормы, температура корпуса двигателя Т = 43 °С, что не превышает предельно допустимой температуры нагрева изоляции и не требует применения независимой вентиляции. Степень защиты двигателя соответствует классу пожароопасной зоны.

с

Рис. 1. Временная диаграмма действующего значения фазного тока статора двигателя

О 0.25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2.75 3 3,25 3,5 3,75 4 4.25 4,5 4,75 5 5.25

с

Рис. 2. Временная диаграмма действующего значения фазного тока двигателя

Временная диаграмма действующего значения фазного тока двигателя за один цикл работы электропривода каретки ножа приведена на рис. 2.

В соответствии с рис. 2 ПВ двигателя составляет 49 %, т. е. его режим работы относится к режиму 83. Стандартное значение ПВ = 40%. Значение эквивалентного тока, рассчитанного по методу средних потерь 1эк-в = 3,42 А, расчётное значение номинального тока двигателя для повторно-кратковременного режима работы с е = 0,4 равно 1„0мст = 3,79 А. Установленный двигатель удовлетворяет требованиям проверки двигателя по нагреву, однако его номинальное значение тока превышает расчётное более чем в 3 раза. Рассматриваемый двигатель был рекомендован к замене. На основе указанных выше критериев делался вывод об эффективности и целесообразности использования асинхронных двигателей в частотно-регулируемых электроприводах сборочного производства завода грузовых шин ОАО «Нижнекамскшина».

Основными положительными итогами модернизации электроприводов на территории ОАО «Нижнекамскшина» являются:

- внедрение серийных сравнительно недорогих частотных преобразователей позволило выполнить модернизацию 50% электроприводов постоянного тока в пределах плановых средств финансирования;

- возможность поддержания требуемого уровня эксплуатационной надёжности технологического АЭП при перманентно протекающем процессе оптимизации численности эксплуатационного персонала;

- решение возникающих в рыночных условиях производственно-технологических задач с помощью оригинальных инженерных решений в области АЭП с ЧРП.

Особо следует отметить возникшие проблемы:

- использование выпускаемых отечественными электромашиностроительными заводами серийных асинхронных двигателей является вынужденной мерой в условиях высоких цен на импортные специализированные для ЧРП двигатели и при отсутствии дешевых отечественных аналогов;

- необходимость привлечения специализированных инженерных фирм при внедрении ЧРП средней и большой мощности;

- «загрязнение» сети (5, 7 гармоники), необходимость решения задач электромагнитной совместимости;

- необходимость проведения специального обучения инженерных кадров либо привлечения сервисных организаций;

- сложности в поддержании «условий жизнеобеспечения» в действующих нефтехимических производствах (запылённость, высокая температура, агрессивная среда).

Действующая программа модернизации технологических приводов на ОАО «Нижнекамск-длина» позволила улучшить качество продукции и повысить производительность труда.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Браславский, И. Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод : учеб. пособие для вузов / И. Я. Браславский, 3. Ш. Шиматов, В. П. Поляков ; под ред. И. Я. Браславского. - М. : Академия, 2004. - 256 с.

2. Лезнов, Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздушных установках / Б. С. Лезнов. - М. : Энергоатомиздат, 2006.- 168 с.

3. Ильинский, Н. Ф. Энергосбережение в электроприводе : учеб. пособие для вузов / Н. Ф. Ильинский. - М. : Издательство МЭИ, 2003. -224 с.

4. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). 7-е изд. - М., 2006. - 102 с.

5. Кацман, М. М. Справочник по электрическим машинам : учеб. пособие / М. М. Кацман. -М. : Издательский центр «Академия», 2005. -480 с.

6. Предремонтные инструментальные испытания частотно-регулируемых электроприводов // Отчет по результатам научно-исследовательских работ, НХТИ (КГТУ). - Нижнекамск, 2007-2008.

Тумаева Елена Викторовна, кандидат технических наук, доцент цикла «Автоматизирован-

ный электропривод и промышленная электроника» НХТИ, Нижнекамск.

Горбачевский Николай Иванович, кандидат технических наук, доцент, заведующий циклом «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника» НХТИ. Гаврилов Евгений Николаевичу аспирант кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ. Ганиев Ришат Наильевич, аспирант кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ.

УДК 681.527.7

В. И. ДОМАНОВ, А. В. ДОМАНОВ, И. Ю. МУЛЛИН РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Рассматриваются вопросы теории и построения регуляторов переменного напряжения. Приводятся расчётные соотношения и результаты эксперимента, показывающие преимущества регулятора на основе широтно-импулъсного преобразователя.

Ключевые слова: регулятор переменного напряжения, силовой ключ, фильтр, широтно-импульсный регулятор.

При проектировании высокоэффективных регуляторов переменного напряжения (РН) для устройств управления различными активно-индуктивными нагрузками возникает необходимость выбора из большого числа существующих решений варианта, обеспечивающего наиболее высокие технико-экономические показатели. Объектами управления могут быть однофазные

Уп1.2

1,0 0,8 0,6 0,4

0,2

У,

..... •Уз

о 1 1 • .Чъ 1

Кр

и трёхфазные трансформаторы, асинхронные двигатели и др. При этом выбор может быть между фазовым управлением (тиристорный регулятор напряжения) и широтно-импульсным управлением (ШИП).

Свойства этих вариантов формирования выходного напряжения рассматриваются относительно различных параметров управления.

Уп1,4

1,2 1,0 0,8 0,6 0.4 0,2

у,

ж о0 Уз

У& ч - 4 # 0 с

ХУг § 7 * % • \ - . ' / »

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1.0

К,

Рис. 1. Амплитудный спектр фазового управления

В. И. Доманов, А. В. Доманов, И. Ю. Муллин, 2009

Рис. 2. Амплитудный спектр широтно' импульсного управления