Введение 4
1 Анализ современного состояния вопроса применения энергоэффективных электродвигателей на промышленных предприятиях 8
1.1 Основные установки и технологические процессы на ООО «Тольяттикаучук» 8
1.2 Основные типы преобразователей частоты 10
1.3 Способы регулирования частоты вращения асинхронных двигателей 16
1.4 Требования к автоматизированной системе частотного регулируемого привода 18
2 Разработка схемы управления электродвигателем с устройством частотного регулирования и оценка электрических параметров системы 22
2.1 Разработка схемы частотного регулирования электродвигателя 22
2.2 Характеристики двигателя насоса 24
2.3 Выбор преобразователя частоты 25
2.4 Характеристика статических режимов работы электропривода 29
2.5 Энергетические характеристики электропривода 34
2.6 Разработка расчетной модели электродвигателя в среде MatLab 38
2.7 Моделирование механических характеристик и тока электродвигателя в среде MatLab 44
3 Экономическое обоснование целесообразности внедрения частотного регулируемого привода 55
3.1 Алгоритм расчета экономии электроэнергии при применении метода частотного регулирования двигателя относительно дросселирования 55
3.2 Расчет годовой экономии электроэнергии 57
3.3 Расчет экономической эффективности для цеха 60
3.4 Расчет пусконаладочных работ и обслуживания оборудования 61
3.5 Затраты на амортизацию 62
3.6 Экономический эффект от использования частотно-регулируемого привода насосов и вентиляторов на предприятии относительно дросселирования 64
Заключение 67
Список используемой литературы и используемых источников 69
Наиболее эффективная энергосберегающая технология на промышленных предприятиях является применений частотного регулирования асинхронных электродвигателей [26]. Скорость вращения ротора асинхронного электродвигателя (АД) зависит от частоты тока, которая в промышленной сети неизменна и равна 50 Гц. Поэтому скорость вращения асинхронных электродвигателей, подключенных непосредственно к сети, будет тоже неизменная. В большинстве случаев требуется управлять скоростью вращения электродвигателя, например, для изменения производительности насоса. Если нельзя изменять скорость вращения, то для этого используются регулирующие клапаны, задвижки и т.д., что дает дополнительное сопротивление и дополнительные потери в электродвигателе. Поэтому для уменьшения потерь необходимо исключить дополнительные сопротивления на участке от насоса до сетевого трубопровода, для этого применяют запорно-регулирующую аппаратуру. Самый лучший способ уменьшения потерь - процесс регулирования передать насосу [42]-[45] или использовать «коммутируемый реактивный двигатель, который широко используется в последние годы. Имеет простую и прочную конструкцию, низкую инерцию, высокий крутящий момент на соотношение ампер, высокую скорость и высокую производительность с разными приложениями» [38]. Основной недостаток таких двигателей - дороговизна.
При регулировании частоты двигателя потребление электроэнергии существенно снижается за счет того, что ее расход пропорционален необходимой производительности насоса.
«Применение частотного регулирования приводов позволяет существенной снизить эксплуатационные затраты и дополнительные потери . Например, снижение перепада давления между всасывающим и напорным патрубками насосного агрегата увеличивает срок службы сальниковых уплотнений и обеспечивает стабильность давления воды в трубопроводных сетях» [13]. «Поэтому одной из самых эффективных современных технологий является частотное регулирование асинхронных электродвигателей» [3].
Объект исследования - асинхронный двигатель насоса Н-65 в производстве сополимерных бутадиен-стирольных каучуков ООО «Т ольяттикаучук».
Предмет исследования - проектные решения по эффективности внедрения частотного регулирования асинхронных электродвигателей в производстве сополимерных бутадиен-стирольных каучуков ООО «Т ольяттикаучук».
Целью исследования является анализ проектных решений по эффективности внедрения частотного регулирования асинхронных электродвигателей в производстве сополимерных бутадиен-стирольных каучуков ООО «Тольяттикаучук».
Гипотеза исследования состоит в том, что за счет внедрения частотного регулирования асинхронных электродвигателей в производстве сополимерных бутадиен-стирольных каучуков ООО «Тольяттикаучук» будет снижена потребляемая из сети электрическая мощность, повысится cosp, будет обеспечен плавный пуск установок, уменьшатся эксплуатационные расходы, будут улучшены условия труда персонала и увеличится срок службы оборудования.
Задачи:
• Анализ современного состояния вопроса применения энергоэффективных двигателей - АД с частотным регулированием (с непосредственной связью и с промежуточным контуром постоянного тока);
• Разработка системы управления электродвигателем с устройством частотного регулирования и выполнение оценки электрических параметров системы путем моделирования в ПК Matlab;
- Расчет экономической эффективности разработанной системы управления АД с устройством частотного регулирования.
Методы исследования. При решении поставленных в работе задач был выполнен анализ научной литературы по теме ВКР. При выполнении ВКР использовались теория электрических цепей и электрических машин, автоматизированного электропривода, для расчета электрических характеристик электропривода применялось компьютерное моделирование в ПК Matlab.
Научная новизна исследования заключается в:
• выполнен анализ современного состояния вопроса применения энергоэффективных двигателей в производстве сополимерных бутадиен-стирольных каучуков ООО «Тольяттикаучук»;
• разработана система управления электродвигателем с устройством частотного регулирования и выполнение оценки электрических параметров системы путем моделирования в ПК Matlab.
Практическая значимость исследования заключается в том, что при расчете экономической эффективности спроектированной системы управления технологическим процессом выяснено, что внедрение системы частотного регулирования электропривода позволяет экономить 117 064 рубля в год. Сама же система, установленная на 15 однотипных насосов в цехе, окупится за срок 0,76 лет.
Личное участие автора в организации и проведения исследования состоит в анализе современного состояния вопроса применения энергоэффективных электродвигателей на промышленных предприятиях; разработке схемы управления электродвигателем с устройством частотного регулирования и оценке электрических параметров системы путем моделирования в ПК Matlab; расчете экономической эффективности разработанной системы управления АД с устройством частотного регулирования. Доказана целесообразность не просто включения преобразователя для управления агрегатом, а создания специализированных систем управления технологическим процессом.
Апробация и внедрение результатов работы велись в течение всего исследования. Его результаты докладывались на следующих конференциях:
• V Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергосбережение и энергобезопасность производственных процессов» (ноябрь 2019 г., Тольятти);
• студенческих днях науки в ТГУ (апрель 2021 г., Тольятти);
• на научных семинарах кафедры «Электроснабжение и электротехника» института химии и энергетики Тольяттинского государственного университета.
На защиту выносятся:
• Результаты анализа современного состояния вопроса применения энергоэффективных двигателей - АД с частотным регулированием (с непосредственной связью и с промежуточным контуром постоянного тока);
• Разработанная системы управления электродвигателем с устройством частотного регулирования;
• Выполненная оценка электрических параметров системы управления электродвигателем с устройством частотного регулирования;
• Технико-экономическое обоснование разработанной системы управления АД с устройством частотного регулирования для производства сополимерных бутадиен-стирольных каучуков ООО «Тольяттикаучук».
Анализ основных способов регулирования частоты вращения асинхронных электродвигателей позволил определить, что самый оптимальный способ регулирования частоты вращения для электродвигателя насоса поз. Н-65 в производстве сополимерных бутадиен-стирольных каучуков ООО «Тольяттикаучук» - частотное регулирование привода насоса с помощью преобразователя частоты с промежуточным контуром постоянного тока. Подробно изучены компоненты системы регулирования и проведен расчет характеристик статических режимов работы электропривода.
После проведенного анализа рассчитанных характеристик статических режимов работы электропривода можно сделать вывод, что регулирование частоты вращения асинхронного двигателя насоса влияет на скоростные характеристики двигателя, а именно:
1) по мере уменьшения частоты питающего напряжения f от 50 до 10 Гц, т. е. при увеличении скольжения, уменьшается скорость ротора, ток возрастает за счет увеличения э. д. с. ротора, однако рост тока ограничивается увеличением индуктивного сопротивления ротора;
2) исходя из результатов, приведенных на графике механических характеристик двигателя, можно заключить, что при изменении частоты питающего напряжения 1050 и как следствие изменения скорости вращения ротора от 0 до w0=(f) момент в рабочем диапазоне не изменяется. Это значит, что при снижении скорости вращения электродвигателя насоса до оптимальной, его нагрузочная способность не снижается;
3) рассчитав потери и КПД двигателя можно заключить, что при изменении скорости электрической машины её КПД изменяется, как показано на рис. то есть с увеличением частоты и скорости вращения ротора увеличиваются суммарные потери за счет потерь на перемагничивание стали, этим можно объяснить нелинейность графика;
4) из графика зависимости cosp от скорости вращения ротора, которая меняется при изменении частоты f можно сделать вывод, что при меньших значениях частоты f cosp увеличивается. Происходит это по причине уменьшения индуктивной составляющей сопротивления статора.
Была разработана модель управления электродвигателя с в среде MATLAB и оценка электрических параметров системы. На основе полученных графиков тока был сделан вывод, что частотное регулирование позволяет обеспечить плавный пуск электродвигателя, устраняя броски тока, которые плохо влияют на срок службы оборудования и снять ударные нагрузки, что позволяет снять ограничения по количеству пусков.
Был произведен расчет экономической эффективности спроектированной системы управления технологическим процессом и выяснено, что внедрение системы частотного регулирования электропривода позволяет экономить 117064,31 рубля в год. Сама же система, установленная на 15 однотипных насосов в цехе, окупится за срок 0,746 лет.
На основании чего можно сказать, что внедрение системы управления позволит повысить эффективность функционирования установки частично дегазированного латекса за счет оптимального режима работы насосов, повышения производительности оборудования и оперативности управления технологическим процессом, снижения потребления энергоресурсов, а также снизить аварийность и увеличить срок службы оборудования, уменьшить влияние человеческого фактора в производственном процессе и, одновременно, повысить культуру производства.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
