Как регулировать нагрузку двигателя

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее Руководство разработано для применения производственными, проектными и научными организациями ОАО «Газпром» при проектировании строящихся и техническом перевооружении существующих объектов, оснащаемых частотно-регулируемым асинхронным электроприводом мощностью до 500 кВт, с целью повышения эффективности технологических процессов в газовой промышленности. В ведомственном руководящем документе «Методические указания по выбору и применению асинхронного частотно-регулируемого электропривода мощностью до 500 кВт» изложены основные требования и расчетные соотношения по выбору и применению частотно-регулируемого асинхронного электропривода, его составных элементов и устройств.

Руководство разработано коллективом сотрудников ООО «ВНИИГАЗ». Разработчики: Комягин А.Ф., главный научный сотрудник, д.т.н., академик АГН., Штин Е.А., ведущий инженер. Руководитель разработки: Медведев В.А., начальник лаборатории комплексных систем электропривода в технологических процессах, ООО «ВНИИГАЗ».

В разработке принимали участие представители Управления энергетики ОАО «ГАЗПРОМ»: Лезнов В.Б., зам. начальника отдела; Матвейчук П.А., главный технолог, к.т.н.

Почему это важно?

При выборе нагружающего устройства это критически важно, так как одну и ту же мощность двигатель может выдавать на стенде как при 1500 об/мин (дизельный двигатель), так и на 20 000 об/мин (двигатель гоночного мотоцикла). Для каждого типа двигателя необходимо подбирать соответствующее нагружающее устройство. А иногда даже не одно, а тандем из двух, первое из которых работает при низких оборотах, а второе при высоких. Если речь идет об испытаниях вновь создаваемых двигателей с широким скоростным диапазоном вращения вала.

2 Принципы регулирования компрессоров объемного типа

Регулирование компрессоров объемного типа выполняется несколькими способами. Рассмотрим их подробнее.

Сброс давления

Данный способ предполагает применение разгрузочного клапана простой конструкции для сброса избыточного давления в окружающую атмосферу. Арматуру подпружинивают, чтобы остаточное давление определялось натяжением пружины. В некоторых случаях может использоваться гидравлическое устройство – сервоклапан, который управляется регулятором.

При использовании данной схемы управления давление легко контролируется, а сам клапан может использоваться в качестве разгрузочного для сброса давления при старте компрессора. При выборе варианта сброса давления следует помнить, что он достаточно энергозатратен, так как компрессорная установка должна работать без остановки, преодолевая полное противодавление. Для небольших компрессоров есть способ снизить потребление энергии. Для этого полностью открывают клапан, чтобы разгрузить агрегат, работающий против атмосферного давления.

Дросселирование впуска

Дросселирование впуска – простой способ понижения давления рабочей среды за счет прохождения ее через узкий диаметр трубопровода. В компрессоре повышается коэффициент сжатия, который в свою очередь зависит от созданного разрежения на впуске. Однако использовать данный метод регулирования расхода можно не для каждой пневмосистемы. Ограничение связано с небольшим диапазоном регулировки – до 10% (компрессоры с впрыском жидкости). Кроме того, дросселирование впуска требует большого расхода энергии, вследствие высокого коэффициента сжатия, что также влечет за собой определенные трудности.

Перепускной клапан

Регулирование расхода воздуха с помощью перепускного клапана предполагает сброс давления с помощью отвода рабочей среды в отдельный трубопровод, после чего сбрасываемый воздух охлаждается и возвращается обратно. Данный способ часто используют в технологических процессах, где нет возможности стравливать рабочую среду в атмосферу.

Пуск/остановка

Расход воздуха в компрессорах с мощностью в диапазоне 5-10 кВт часто управляется путем полной остановки двигателя, когда давление достигает верхнего предела. После этого давление падает и когда оно достигает нижнего уровня, выполняется перезапуск двигателя. Применение данного способа предполагает наличие воздушного ресивера большого объема, или большой разности между давлением пуска и давлением остановки, что позволит снизить тепловую нагрузку на электродвигатель. Данный метод регулирования экономически обоснован для тех систем с ограниченным количеством запуска двигателя.

Сброс давления с дросселированием впуска

Также в пневмосети должен быть установлен большой ресивер, объем которого должен определяться, как разница между предельными значениями давления нагрузки и разгрузки, а также допустимым количеством циклов разгрузки в час.

Регулирование частоты вращения

Двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель с частотным регулированием или турбина могут управлять скоростью компрессора (числом оборотов), и соответственно – расходом. Данный метод представляет собой эффективный и экономный способ поддерживать устойчивое давление в системе. Диапазон регулирования расхода зависит от типа компрессорного аппарата, но наибольший интервал имеется в агрегатах с впрыском жидкости. Регулирование частоты вращения во многих случаях выполняется с режимами пуска-остановки при невысоких нагрузках и сбросом давления при остановке аппарата.

Еще одним действенным способом регулирования производительности винтовых компрессоров является перемещение выпускного клапана вдоль оси винта по направлению к впускному клапану. Но метод редко используется виду больших энергозатрат на дополнительные устройства.

Как определить нагрузку на ось грузового автомобиля

Взвешивание – простой способ определения как общего веса, так и значения для каждой отдельной оси. Есть два метода:

Динамический. Для взвешивания грузовик со скоростью не более 5 км/ч проезжает по поосным автомобильным весам. Они зафиксируют вес каждой оси, а потом определят вес самой машины. Это достаточно простой и удобный способ, но его погрешность составляет от 0,5 до 3%. Что – как вы можете понять при границе превышения максимальной допустимой нагрузки на ось грузового автомобиля в 2% – слишком много.

Статический. Авто въезжает и останавливается на платформе весов, на которую установлены тензодатчики. Их применение позволяет добиться очень высокой точности взвешивания – 0,01%.

Также можно купить тягач, оснащённый системой мониторинга, и совместимый с ним прицеп. Это довольно удобный способ всегда быть в курсе уровня загруженности своей машины, но очень дорогой.

Можно вмонтировать манометры в магистраль пневморессоры, и следить за показаниями в процессе погрузочных работ. Чтобы не мучится с определением, какое значение шкалы манометра какому весу соответствует, можно установить специальные датчики. Но это требует не только затрат денег при покупке всех элементов системы, но и значительных усилий по её отладке.

Штрафы за перегруз

В основном об этом виде административного наказания беспокоятся водители грузовиков. Так как у легковых автомобилей есть ограничения только по количеству перевозимых пассажиров. Штраф за превышение нагрузки разделяются на три типа в зависимости от уровня ответственности лиц:

Для физических лиц 1,5–2 тыс. руб.

Для должностных – сумма уже выше,15 тыс. руб.

И ещё выше для юридических – 400 тыс. руб.

Оформить заказ на карту для тахографа.

Если при превышении более 2% нет разрешения на провоз, то также оформляется штраф. Да и когда вес груза не совпадает с тем, что написано в сопроводительных бумагах с физического лица могут взыскать сумму 5 тыс. рублей. Для компании размер взыскания больше минимум в 50 раз. Правда, без контрольного взвешивания выписать штраф инспектор не имеет права.

Самостоятельный подбор ЧП

У вас есть три пути: выбрать общепромышленную модель, выбрать модель для конкретного применения или по характеристикам.

Выбор общепромышленной модели

Это наиболее быстрый и простой вариант. Например, универсальный общепромышленный векторный ЧП большой мощности «Веспер» из линейки EI -9011 в защищенном корпусе класса IP54 подходит для большинства задач и может использоваться для управления приводами практически всех промышленных механизмов в сложных условиях эксплуатации. Минус такого решения — высокая цена универсального ЧП.

Выбор по стандартному ряду мощностей электродвигателей

Это тоже быстрый и удобный вариант. Как правило, номинальная мощность большинства преобразователей соответствует стандартной серии.

Стандартные серии электродвигателей имеют следующие уровни (номинальной) мощности:

Преобразователь частоты подбирается такой же мощности, что и двигатель, или чуть большей. Например, если мощность привода 1,5 кВт, то преобразователь может быть 1,5-2 кВт.

Недостаток этого решения — можно переплатить за избыточную мощность частотника, если электродвигатель не нагружается полностью. Или наоборот: если привод часто работает с пиковыми нагрузками, то приобретенный по стандартной серии ЧП может не справляться с обеспечением работоспособности.

Выбор по характеристикам

1. Электропитание и диапазон выходной частоты.

Количество питающих фаз и номинальное напряжение (В) — первое, на что нужно обращать внимание при выборе. Если это не учесть и неправильно подключить оборудование, возникнут аварийные ситуации и, как следствие, техника выйдет из строя. Выпускаются одно- и трехфазные модели с напряжением на 220 В и 380 В соответственно. Однофазная модель ЧП имеет трёх фазный выход для подключения трёхфазного электродвигателя. Есть также высоковольтные мегаваттные установки для особо мощных агрегатов.

Напряжение местных электросетей, а вернее его качество, также необходимо учитывать при выборе ЧП. Несмотря на то, что Российский стандарт предусматривает для однофазной сети 220 В, а для трехфазной 380 В, на деле бывают существенные провалы и скачки. Если произойдет падение входного напряжения, электропривод аварийно остановится, но если будет скачок вверх, он может сгореть. Поэтому чем шире диапазон допустимых значений напряжения прибора, тем лучше (смотреть их нужно в техническом описании). Модели с широким диапазоном стоят дороже.

Частота (Гц) — следующая по важности характеристика, так как непосредственное управление скоростью вращения вала осуществляется с помощью изменения частоты выходного напряжения. Нужно обратить внимание на диапазон значений выходной частоты ПЧ (например, от 0 до 400 Гц). Чем шире диапазон, тем больше возможностей. У преобразователей частоты, на основе инвертора напряжения, выходная частота не зависит от значения частоты напряжения питания. Все ПЧ ООО «Компании Веспер» выполнены по схеме инвертора напряжения с промежуточным звеном постоянного тока.

2. Мощность и номинальный ток.

Выбор частотного преобразователя по мощности и номинальному току применяемого электродвигателя можно осуществить следующими способами:

• по значению номинального тока электродвигателя по формуле: Iпч = (1.05…1.1) х Iдв ;
• на основе полной мощности (кВА), рассчитывается по формуле: Рпч = Uдв х Iдв х √3 / 1000.

Важно, чтобы выходной ток/мощность частотника был равен или превышал номинальный ток/мощность двигателя. Поэтому для правильного выбора необходимо знать номинальные характеристики электродвигателя.

Получить нужные сведения можно из технической документации, по надписям на корпусе (шильдикам) либо провести замеры.

Если двигатель периодически работает с пиковой нагрузкой (значительный пусковой момент на валу, быстрый разгон, резкое торможение), это нужно учитывать. Следует выбирать модель, которая в состоянии обеспечить перегрузочную способность.

3. Методы управления.

Есть два основных метода управления:

• векторный;
• скалярный.

Приборы со скалярным управлением стоят дешевле и проще в настройке, но они имеют малый диапазон (1:10) и низкую точность регулировки (погрешность скорости может быть 5-10 %). Такие частотно регулируемые электроприводы целесообразно использовать, когда параметры нагрузки заранее известны и не «плавают» при постоянной частоте. Это могут быть различные механизмы с фиксированным режимом работы, отвечающие за поддержание определенного состояния техпроцесса. К примеру: насосы, вентиляторы, компрессоры.

Векторные приборы более технологичны, имеют широкий диапазон режимов и регулировок (>1:200) с практически нулевой погрешностью, могут поддерживать заданный момент при меняющейся скорости и на сверхмалых оборотах, а также постоянную скорость при резко меняющейся нагрузке. Но они стоят дороже и требуют тонкой индивидуальной настройки специалистом. Такие векторные ЧП подходят для конвейеров, лифтов, транспортеров, кранов, прессов, токарных станков.

4. Дополнительные опции частотного преобразователя для электродвигателя.

Чтобы понять, какие дополнительные возможности могут понадобиться, необходимо ориентироваться на круг задач (для чего предполагается использовать ЧП), эксплуатационные нагрузки (сколько приводов будет контролировать и в каком режиме), условия, в которых прибор будет работать (нужна ли спецзащита корпуса и др.).

• Для управления приводами с лёгкой нагрузкой и стабильными оборотами (вентиляторы и насосы) выбирают недорогую простую модель с ограниченным набором регулировок и минимальными опциями.
• Для управления приводами с переменными нагрузками, быстрыми стартами и остановками (лифтовые или конвейерные двигатели) нужен ЧП с модулем отвода излишков энергии, возникающих при торможении.
• Для высокоточных задач (в станках различного назначения) может понадобиться прибор с тонкой настройкой в широком диапазоне режимов и сохранением заданного крутящего момента на сверхмалых оборотах.

Дополнительных опций много, как и задач, которые решают частотники. Поэтому при выборе модели частотного преобразователя для электродвигателя полезно написать свой список с теми опциями, которые необходимы.

Мы составили перечень наиболее востребованных опций:

• Дистанционное управление.
• Централизованное управление в составе кластера.
• Контроль работы только одного привода.
• Контроль сразу нескольких двигателей.
• С прямой связью.
• Защищенный корпус (степень по классу IP).
• Модульность.
• Встроенный дисплей и различные индикаторы.
• Программирование с помощью встроенного пульта управления или компьютера.
• Поддержка обратной связи.
• Наличие дискретных, аналоговых, цифровых выходов.
• Метод модуляции и диапазон значений частоты ШИМ).
• Тормозной модуль и способ отвода излишков энергии при торможении (рекуперация, перевод в тепло).
• Автонастройка.
• Возможность пуска (с поиском скорости) свободно вращающегося двигателя.

Если в комплектации не будет всех нужных опций из списка, можно заказать дооснащение. Компания «Веспер» предоставляет такую возможность.

Также полезно знать, что ведущие производители выпускают специальные серии преобразователей, настроенные и оптимизированные для решения конкретных задач. В них уже учтены все нюансы и включены необходимые опции.

Серия частотных преобразователей «Веспер» EI-P7012 ориентирована на работу с насосами. Серия E3-8100В идеально подходит для вентиляторов.

5. Гарантийные условия и сервисное сопровождение.

Технические характеристики при выборе преобразователя частоты важны, но нужно еще учитывать качество сборки и возможность сервисного сопровождения. Обращайте внимание на:

• гарантийные условия;
• продуманность компоновки и конструкционных решений;
• использование надёжных комплектующих;
• контроль качества и отсутствие брака в готовых изделиях;
• репутацию производителя и множество успешно выполненных проектов;
• профессиональное гарантийное и послегарантийное сервисное обслуживание;
• доступность специалистов для консультаций;
• скорость поставки необходимых комплектующих;
• наличие сети сервисных центров.

Обеспечить все это на должном уровне могут компании с мощным интеллектуальным и экономическим потенциалом, отлаженным высокотехнологичным производством и многоступенчатым контролем качества.

Среди российских производителей компания «Веспер» соответствует этим критериям в полной мере. Высокое качество продукции подтверждают сертификаты. Оборудование «Веспер» успешно работает на сотнях объектах электроэнергетики, металлургии, машиностроения, нефтегазового комплекса и других отраслей промышленности.

Математический расчет

Степень сжатия двигателя внутреннего сгорания равняется объему камеры сгорания к рабочему объему цилиндра и рассчитывается по формуле (V + C)/C = CR, где

• V — объем цилиндра, когда поршень находится в нижней мертвой точке (НМТ). Для расчета необходимо сумму объемов всех цилиндров (указывается в технической характеристике ДВС) разделить на количество котлов;
• С — объем камеры сгорания, когда поршень в верхней мертвой точке (ВМТ). Включает в себя объем полости ГБЦ, прокладки ГБЦ и выемок в цилиндре. Если поршень имеет выпуклость, ее объем отнимается от общего объема камеры сгорания.

Вычислить степень сжатия математически довольно непросто из-за сложной геометрической формы камеры сгорания. Поэтому на практике применяются 2 основные методы вычисления.

Видео:Как измерить степень сжатия правильно.

Внешняя скоростная характеристика двигателя показывает зависимость мощности, расхода топлива и крутящего момента от числа оборотов коленвала. Все эти параметры показываются графически в виде кривых.

На рисунке можно видеть кривые с обозначениями Pe – мощность двигателя, Mе – крутящий момент, ge – удельный расход топлива. Как видно, с ростом числа оборотов и мощности увеличивается расход топлива. Крутящий момент растет до определенного уровня, а затем идет на спад. В точке, где наиболее эффективный крутящий момент и мощность двигателя, будет самый оптимальный показатель расхода топлива.

Производители моторов борются за то, чтобы максимальный крутящий момент двигатель развивал в как можно более широком диапазоне оборотов («полка крутящего момента была шире»), а максимальная мощность достигалась при оборотах, максимально приближенных к этой полке. Такой двигатель и из болота вытянет, и в городе позволяет быстро ускоряться.

Внешняя скоростная характеристика дает оценку динамическим характеристикам автомобиля, определяет КПД и топливный расход при разных параметрах.

Высокий крутящий момент на более низких оборотах увеличивает тяговую силу агрегата, грузоподъемность и проходимость.