Введение к работе
Актуальность темы
Электроприводы с вентиляторной нагрузкой составляют большую часть всех потребителей электроэнергии, где требуется регулирование техпроцесса. Чаще всего этот тип нагрузки присутствует на предприятиях водоканала, в теплоснабжении, а также нефтяной, химической и других отраслях промышленности, где производится транспортировка жидкости или газа. Мероприятия по энергосбережению в таких установках предполагают выбор регулируемого электропривода (РЭП) или создают новые условия пуска двигателей.
Средствами регулирования на сегодня в меньшей степени оборудованы высоковольтные электроприводы средней и большой мощности. В многодвигательных системах не решен ряд вопросов, связанных с выравниванием средствами РЭП электрической нагрузки при пусках двигателей.
В решении задач энергосбережения в перекачивающих станциях, эксплуатируемых более 20 лет, открыты вопросы оценки фактических режимов работы электроприводов, эффективности их работы и технического состояния. Отсутствие объективных данных о техпроцессе и состоянии трубопроводов усложняет методы ультразвуковых измерений и последующее обоснование проекта внедрения РЭП. Задачи РЭП при транспортировке жидкости или газа чаще всего сводятся к исключению потерь в регулирующей расход арматуре, однако, в зависимости от фактических режимов работы агрегатов, потери в преобразователях частоты приводят к перерасходу электроэнергии. Поэтому для разработки энергосберегающих мероприятий необходимо исходить из фактических режимов работы электроприводов и энергетических характеристик схем РЭП в этих режимах.
Эффективное применение РЭП возможно только при соответствующем ужесточении технических требований к качеству электроэнергии и надежности питающей сети. По данным зарубежных источников (David Chapman, Copper
Development Association) в силу своих схемотехнических решений РЭП относится к категории потребителей наиболее чувствительных к качеству электроэнергии - в частности, к провалам напряжения. Срабатывание быстродействующих защит по току и напряжению, которыми оснащен современный РЭП, часто выводит из-под контроля технологический процесс. В практике инженерных расчетов нет методик, определяющих выбор РЭП для обеспечения заданного провала напряжения с условием выхода двигателя на номинальный режим работы. Остается открытым вопрос компенсации пускового провала напряжения параллельно работающими на той же секции шин двигателями.
Определение условий успешной работы РЭП требует комплексного решения вопросов, связанных с работой электросети, электродвигателя, его системы управления и самого приводимого механизма. При этом сохранение показателей качества электроэнергии при пусках двигателей и увеличение эксплуатационного ресурса двигателей может быть достигнуто соответственно устранением пусковых колебаний электромагнитного момента и ограничением пусковых токов средствами РЭП.
Интерес к совершенствованию и внедрению регулируемых электроприводов с вентиляторной нагрузкой проявляют различные технические предприятия мира, такие как: Siemens (Германия), Fanuc (Япония), ABB (Германия), ВНИИР (Россия), ЭКРА (Россия) и др.
Данная работа посвящена разработке и анализу методов и средств РЭП, обеспечивающих энергосбережение и заданные условия эксплуатации системы электроснабжения. Теоретические основы развиваемых автором методов и положений заложены в трудах Аракеляна А.К., Гамазина СИ., Лезнова Б.С., Поздеева А.Д., Соколова Е.Я., Щедрина В.А. и других ученых.
Цель исследования
Оценка эффективности работы мощных высоковольтных электроприводов с вентиляторной нагрузкой, увеличение эксплуатационного ресурса электродвигателей и сохранение показателей качества электроэнергии при
пусках двигателей путем реализации разработанных автором методик и алгоритмов управления РЭП. Задачи исследования
1. Разработка методики энергетического обследования электроприводов на
основе паспортных данных асинхронного двигателя, приводного агрегата,
периодических измерений параметров техпроцесса и системы
электроснабжения.
-
Разработка методики количественной оценки глубины провалов напряжения при пусках двигателей на основе паспортных данных электродвигателей, нагрузок на валу и параметров системы электроснабжения.
-
Анализ возможностей и области применения различных типов и структур пусковых устройств электродвигателей, обеспечивающих заданные условия эксплуатации системы электроснабжения.
Научные положения, выносимые на защиту
-
Способ упрощенного анализа режимов работы насосных агрегатов, основанный на допущении о постоянстве тока намагничивания двигателя, позволяющий определить фактическую загрузку приводных двигателей, КПД установок и расход транспортируемого вещества с использованием паспортных данных двигателя, насоса и показаний стационарных манометров и амперметра. Результаты теоретических и экспериментальных исследований установившихся режимов работы электроприводов насосов.
-
Математическая модель пуска двигателя, учитывающая параметры системы электроснабжения, свойства пускового устройства, особенности двигателя и нагрузки на валу для исследования метода и алгоритма управления пуском по условиям стандартов или режимов работы системы электроснабжения. Результаты теоретических исследований глубины провалов напряжения при пусках разных типов двигателей в зависимости от параметров системы электроснабжения и способов пуска.
3. Методика расчета ограничения пускового тока двигателя, позволяющая
на основе заводской пусковой характеристики и характеристики нагрузки на
валу аналитически определить минимально допустимый ток, обеспечивающий выход двигателя на номинальный режим работы, и выбрать соответствующий тип РЭП. Результаты теоретических исследований пусковых характеристик электродвигателей при остаточном напряжении на шинах. Научная новизна результатов исследования
-
Разработанный способ анализа режимов работы насосных агрегатов, отличается от известных приборных методов тем, что обеспечивается достаточная для инженерных расчетов точность вне зависимости состояния внутренней поверхности и геометрической формы трубопровода.
-
Предложенный метод и алгоритм управления пуском двигателя, обеспечивающие заданную по условиям стандартов или режимов работы системы электроснабжения глубину провалов напряжения отличается от известных в литературе учетом в математической модели параметров системы электроснабжения, свойств пускового устройства, особенностей двигателя и нагрузки на валу.
-
Разработанная аналитическая методика расчета ограничения пускового тока двигателя, основанная на использовании заводской пусковой характеристики и характеристики нагрузки на валу отличается от известных в литературе учетом минимального динамического момента двигателя.
Методы исследований базировались на общих положениях теории цепей, методе математического и численного моделирования, методе энергетических балансов и основах гидравлики. Экспериментальные исследования проводились на лабораторном макете электропривода с вентиляторной нагрузкой кафедры ТЭУ при ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н.Ульянова» (г. Чебоксары).
Достоверность научных выводов и результатов подтверждается близкой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, обоснованностью принятых допущений, сопоставлением с результатами компьютерного моделирования и сравнением с результатами, полученными другими авторами.
Практическая ценность работы
Создан метод оценки эффективности работы электроприводов с вентиляторной нагрузкой для разработки энергосберегающих мероприятий, позволяющий проводить оценку фактических режимов работы электроприводов без остановки техпроцесса и влияния на техпроцесс. Метод апробирован в ООО «НПП «Инженерный центр» (г. Чебоксары) при проведении энергоаудита районной котельной [5]. Созданы математическая модель «сеть-трансформатор-двигатель» для количественной оценки глубины провала напряжения при пусках электродвигателей. Предложена методика расчета ограничения тока при пусках двигателей для определения типа РЭП и алгоритма пуска. Модель и методика использованы в проектных расчетах 000 «НПП «ЭКРА» (г. Чебоксары). Основные научные положения и результаты исследований использованы в учебном процессе кафедры САУЭП и в практике ПНИЛ «Развитие научных основ и технического обеспечения энергосбережения и энергосберегающих приводов и технологий» при ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н.Ульянова».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на: VI республиканском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов, молодых ученых и научно-технических работников «Наука XXI века» под эгидой Министерства образования и молодежной политики Чувашской Республики в 2009 г; региональной конференции студентов и аспирантов «Человек гражданин ученый» ЧГУ им. И.Н. Ульянова в 2010 г.
Личный вклад автора. Разработан способ оценки эффективности работы электроприводов с вентиляторной нагрузкой, проведен анализ влияния параллельно работающей нагрузки на пуск двигателя в зависимости от параметров системы электроснабжения, разработаны методика расчета предельных значений ограничения тока при пусках двигателей и математическая модель системы «сеть-трансформатор-двигатель» с ограничением пускового тока.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 7 печатных работ в периодических изданиях и сборниках научных трудов, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованный ВАК Минобрнауки.
Структура и объем работы: Общий объем диссертации составляет 138 страниц, содержит введение, заключение, 4 главы, 52 литературных источника, 4 приложения, 11 таблиц и 67 рисунков.
