ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Электроприводы вентиляторов и турбокомпрессоров

Вентиляторы занимают среди турбомеханизмов второе место после насосов по распространению в промышленности. Основное их число приходится на вентиляторы санитарно-технического на­значения, осуществляющие кондиционирование воздуха в произ­водственных и других помещениях. Несмотря на относительно небольшую мощность этих вентиляторов (до 100 кВт) на их долю приходится значительная суммарная потребляемая энергия.

Мощные вентиляторы используются для увеличения интенсив­ности охлаждения воды в градирнях химических и металлургиче­ских комбинатов. Они имеют невысокую частоту вращения рабо­чего колеса, обычно не более 600 об/мин.

Ограничение допустимой скорости концов лопаток рабочего колеса вынуждает с увеличением диаметра колеса снижать его но­минальную частоту вращения. Вентиляторы имеют большой мо­мент инерции, иногда на порядок и более превышающий момент инерции приводного двигателя, что затрудняет их пуск, а в неко­торых случаях требует применения электрического торможения для быстрой остановки рабочего колеса.

Вентиляторы в отличие от других турбомеханизмов всегда ра­ботают на сеть без противодавления, вследствие чего зависимость момента статического сопротивления на валу приводного двига­теля от скорости носит квадратичный характер, а подводимая к вентилятору мощность без учета потерь на трение в подшипниках пропорциональна кубу скорости. Поэтому для расчета режимов работы вентиляторов можно использовать выражения для закона подобия (4.18)...(4.21).

Вентиляторы разделяются на центробежные и осевые. Характе­ристики центробежных вентиляторов аналогичны характеристи­кам центробежных насосов. Из аэродинамических способов регу­лирования для центробежных вентиляторов широко используется регулирование поворотом лопастей направляющего аппарата. Ре­гулирующий эффект при этом достигается вследствие уменьше­ния сечения входного канала и закручивания потока на входе в рабочее колесо.

Аэродинамическая характеристика дымососа типа ДН— 12,5-1 при регулировании изменением угла 0на поворота лопастей на­правляющего аппарата и пном = 1000 об/мин показаны на рис. 4.9. Очевидно, что при таком регулировании подачи КПД вентилято­ра будет существенно падать. Поворот лопастей направляющего аппарата может осуществляться как вручную по мере необходимо­сти, так и оперативно с помощью исполнительного двигателя. Одна­ко на практике устройства изменения угла установки направляюще­го аппарата в системах автоматического регулирования использу­ются редко из-за сложности эксплуатации и низкой надежности.

Еще менее экономичным способом регулирования производи­тельности вентиляторов является регулирование шибером сечения выходного канала вентилятора, аналогичное дроссельному регулиро­ванию насосов. При этом происходит не изменение характеристики вентилятора, как в предыдущем случае, а меняется характеристи­ка магистрали, как это происходит в насосных установках.

Если подачу вентилятора регулировать изменением скорости, то характеристика сети соответствует формуле (4.13) при Яс = 0, т. е. Н = RQ2, а КПД вентилятора во всем диапазоне регулирова­ния остается постоянным.

Мощность, потребляемую из сети двигателем вентилятора (без учета КПД вентилятора), можно оценить по выражениям, полу­ченным из (4.16) и (4.17) при hc = 0 и |!0с = 0. Так, при регулиро­

вании шибером

Л.= ‘j—6., (4.22)

А ^НОМ

а при частотном регулировании

Л. = а3 + %^^й2. (4-23)

* ^ном

Зависимости потребляемой мощности, построенные по фор­мулам (4.22) и (4.23), показаны на рис. 4.10. Пунктирной линией даны графики мощности двигателя с учетом КПД вентилятора. На рис. 4.10 видно, что потребляемая мощность в частотно-регу­лируемом электроприводе вентилятора значительно ниже, чем при регулировании шибером почти при любых значениях расхода Q*, за исключением точки номинального режима.

Осевые вентиляторы [56] имеют характеристики, показанные на рис. 4.11, которые по форме отличаются от характеристик цент­робежных машин. Отличие состоит в том, что левая часть характе­ристик осевого вентилятора имеет провалы и является неустойчи­вой, из-за чего его работа возможна только в области ниже гра­ничного напора. Правая (рабочая) часть характеристики осевых машин крутопадающая.

Регулирование подачи осевых вентиляторов осуществляется изменением угла установки лопаток рабочего колеса. Обычно по­ворот лопаток производится при остановленном вентиляторе и занимает относительно большой промежуток времени. Этот спо­соб регулирования оказывается практически непригодным для систем автоматического управления. Разработанные конструкции поворота лопаток на ходу существенно усложняют конструкцию вентилятора и снижают его надежность.

Кривые равных КПД осевого вентилятора (см. рис. 4.11) при регулировании поворотом лопаток располагаются перпендикулярно характеристикам Н = f(Q), причем с уменьшением напора КПД заметно падает, в то время как у центробежных машин кривые равных КПД при регулировании направляющим аппаратом рас­полагаются параллельно характеристикам Н = f{Q).

Регулирование производительности осевого вентилятора изме­нением скорости двигателя связано с определенными затрудне­ниями, которых нет в центробежных машинах. Если установить угол поворота лопаток равным, например, 0Н а = 47°, то работа на сеть с характеристикой, такой как 0Ах (см. рис. 4.11), т. е. с любой ха­рактеристикой, проходящей левее ОЛ2, окажется невозможной, так как вентилятор попадает в зону неустойчивой работы.

Работа на сеть с характеристикой, лежащей правее 0Л2, напри­мер (М3, неэкономична, так как несмотря на регулирование ско­рости КПД вентилятора не превысит 0,5. Поэтому зона рацио­нальной работы осевого вентилятора с регулированием только скорости довольно узка и в ряде случаев требуется комбиниро­ванное регулирование: периодическое при значительных измене­ниях характеристики сети посредством поворота лопаток с одно­временным изменением скорости и непрерывное в небольшом диапазоне изменения только скорости. Учитывая сказанное, к ре­гулированию осевых вентиляторов нужно подходить более внима­тельно, чем к регулированию центробежных, проводя предвари­тельный анализ возможных режимов работы.

Особое значение для ряда вентиляторов имеет применение регу­лируемого электропривода, так как по некоторым данным утвер­ждается, что КПД вентиляторов при регулируемом электропри­воде должно быть больше, чем при нерегулируемом, в среднем на 12 % [42]. Кроме повышения КПД применение регулируемого при­вода вентиляторов позволяет в некоторых случаях упростить кон­струкцию турбомашин, исключив направляющий аппарат, а так­же обеспечить одновременную работу двух и более вентиляторов.

В настоящее время тенденции перехода к регулируемому при­воду для вентиляторов стали более очевидными.

Вентиляторы являются механизмами с режимом длительной нагрузки с большой продолжительностью работы в течение года; нагрузка на валу приводного двигателя спокойная, перегрузок не возникает. Вентиляторы обладают большим моментом инерции, что необходимо учитывать при расчете пусковых характеристик электроприводов.

Необходимый диапазон регулирования скорости для вентиля­торов обычно не превышает 2:1. Более глубокое регулирование используется редко, если учитывать кубическую зависимость (см. формулу (4.21)) потребляемой мощности от частоты вращения.

Пуск вентилятора может производиться как при разгруженной машине, т. е. при закрытом направляющем аппарате, так и при полностью открытом. В первом случае максимальный момент при пуске двигателя вентилятора равен примерно 0,4 номинального, во втором — номинальному. При пуске мощных вентиляторов с большим диаметром рабочего колеса обычно требуется ограниче­ние ускорений при пуске во избежание появления чрезмерных динамических напряжений в лопатках рабочего колеса.

Перечисленным требованиям наиболее полно соответствует частотно-регулируемый асинхронный электропривод вентилято­ра. При этом, как правило, можно ограничиться использованием простых и недорогих систем частотного регулирования. Примене­ние этих систем характерно более высокому, чем вентиляторы, классу турбомашин, к которому относятся турбокомпрессоры.

Мощность турбокомпрессоров достигает 18 ООО кВт, а в перс­пективе достигнет 25 ООО кВт и более. Эти машины предназначе­ны для повышения давления газа и транспортирования его по магистральным трубопроводам.

Турбокомпрессоры в зависимости от степени сжатия газа раз­деляются на воздуходувки со степенью сжатия ниже 1,15; нагне­татели, степень сжатия которых выше 1,15; компрессоры, пред­ставляющие собой машины со степенью сжатия газа более 1,15.

К типичным областям применения турбокомпрессоров отно­сятся генерирование пневматической энергии (энергетические турбокомпрессоры); транспортирование газа по магистральным газопроводам; сжатие воздуха для получения кислорода методом разделения; подача воздуха и кислорода в доменную печь, холо­дильная техника.

Регулирование производительности турбокомпрессоров осуще­ствляется в основном дросселированием на стороне нагнетания, КПД турбомеханизма при этом снижается пропорционально ре­гулированию производительности. Для компрессоров разработана система регулирования путем поворота лопаток направляющего аппарата. КПД при таком регулировании будет выше, чем при дросселировании. Однако применение направляющего аппарата существенно усложняет конструкцию турбокомпрессора и сни­жает его надежность, поэтому этот способ регулирования не по­лучил широкого распространения. Наиболее совершенным спосо­бом регулирования производительности турбокомпрессоров яв­ляется изменение скорости их двигателей.

Характеристики турбокомпрессора типа К—3250-41-1 [56] при различной частоте вращения показаны на рис. 4.12.

Особенность работы турбокомпрессоров состоит в том, что каждой частоте вращения соответствует определенная критиче­ская подача машины, ниже которой ее работа становится неустой­чивой. Причиной неустойчивой работы турбокомпрессоров является повторяющийся срыв потока с рабочих и направляющих лопаток, что приводит к сильным пульсациям давления, открыванию и закрыванию обратного клапана и возникновению аварийных коле­баний в системе. Такой режим называется помпажным. Работа тур­бокомпрессоров в режимах левее границы помпажа (пунктирная линия на рис. 4.12) недопустима. Отметим, что с уменьшением частоты вращения область помпажных режимов сокращается, вследствие чего при регулировании путем изменения частоты вра­щения становится возможной работа турбокомпрессора с пони­женной подачей.

Технологическая необходимость регулирования подачи турбо - компрессорных машин связана с их назначением. Так, режим рабо­ты нагнетателей магистральных газопроводов определяется графи­ком потребления газа на конце газопровода. Задачей регулирова­ния подачи компрессоров в данном случае является обеспечение транспортирования требуемого количества газа при минимальных энергетических затратах. При сокращении потребления газа необ­ходимо снижение его подачи во избежание излишнего повыше­ния давления в трубопроводах. Так как турбокомпрессоры на ма­гистральных газопроводах объединяются в станции, состоящие из нескольких последовательно и параллельно работающих компрес­соров, то регулирование подачи газа ведется ступенчато: измене­нием числа работающих машин. Для плавного регулирования этот метод дополняется дросселированием на стороне нагнетания.

Исследования [56] показали, что применение электроприво­да, обеспечивающего плавное экономичное регулирование ско­рости, дает увеличение КПД компрессорной установки на 25 % по сравнению с регулированием посредством дросселирования и на 12 % по сравнению с регулированием с помощью направляю­щего аппарата.

Турбокомпрессоры, нагнетатели и воздуходувки, как правило, являются машинами с режимом длительной нагрузки, вследствие чего их электроприводы должны быть рассчитаны на длительную работу. Они являются быстроходными механизмами с частотой вращения рабочего колеса 3000...20ООО об/мин, что определяет целесообразность применения для их приводов высокоскорост­ных двигателей. В тех случаях, когда требуется большая частота вращения рабочего колеса, между двигателем и компрессором устанавливается повышающий редуктор.

Все турбокомпрессоры, за исключением воздуходувок, рабо­тают на сеть с сопротивлением, что определяет зависимость мо­мента сопротивления на валу от частоты вращения.

Пуск турбокомпрессора обычно производится без нагрузки пу­тем соединения полости нагнетания с атмосферой или с полос­тью всасывания, из-за чего максимальный момент при пуске не превышает 0,4 номинального.

Наиболее совершенным способом регулирования производи­тельности турбокомпрессоров является изменение их частоты вра­щения. Основной проблемой при этом является то, что большин­ство двигателей компрессоров являются высоковольтными маши­нами (3, 6 кВ и более). В настоящее время лишь несколько заводов - изготовителей предлагают высоковольтные преобразователи час­тоты, стоимость которых, как правило, намного выше, чем пре­образователей, питающихся от сети 380 В. Кроме того, часто пред­лагаются преобразователи с двойной трансформацией, когда на вход и выход обычного низковольтного преобразователя устанав­ливаются соответственно понижающий и повышающий трансфор­маторы. Такое решение нельзя признать экономичным, так как КПД преобразователя частоты при этом снижается, возрастают материалоемкость и габаритные размеры преобразователя. Исходя из сказанного, следует признать целесообразным либо использо­вание непосредственных преобразователей частоты на основе обы­чных тиристоров, либо двухзвенных высоковольтных преобра­зователей частоты со звеном постоянного тока на основе запира­емых тиристоров.