2.1.7. Керування рівнями потоків мас

Потоки мас знаходять своє застосування в харчовій промисловості, вугільних дворах, хімічних заводах і т.д. Застосовується таке встаткування, як фідери, гвинтові насоси, ковшові підйомники. Традиційно використовується двигун змінного струму з постійною швидкістю обертання з яким-небудь типом механічного регулятора швидкості. Власна швидкість механізму повинна бути такою, щоб наступний щабель потоку, такий як конвеєр, одержувала безперервну й рівномірну кількість матеріалу.

Зворотним зв'язком для потоку в цій ситуації є в основному затримка часу. Маса вихідного конвеєра приблизно пропорційна масі потоку. Однак, існує великий усереднюючий ефект завдяки довжині конвеєра. Таким чином, вихідний конвеєр повинен бути як можна більш коротким для зменшення усереднюючого ефекту. Дія регулятора швидкості повинна бути вповільнена для узгодження помилок зворотного зв'язка й для недопущення поломки регулятора. При цих умовах установка більш стабільна без якої-небудь компенсації ковзання. Така система має меншу тенденцію до «перекидання» через помилки в потоці мас.

Рис. 2.13

На мал. 2.13 показаний фідер у вигляді обертової пластини із традиційним керуванням. Двигун змінного струму з постійною швидкістю обертання приводить фідер за допомогою ремінної передачі з регульованим зазором барабанів. Переміщенням пари ближче - далі, одночасно переміщаючи іншу пару далі - ближче, можна змінювати передаточне число. Передача розроблена з таким розрахунком, щоб підтримувати постійним натяг V-Ременя. Конструкція з пасовою передачею такого типу, хоча й дозволяє регулювати швидкість безступенево, вимагає істотного механічного обслуговування.

Використання систем частотно-регульованого привода в конструкціях для переміщення мас дозволяє регулювати швидкість без використання пристроїв для механічного керування швидкістю.

Рис. 2.14

На мал. 2.14 показана та ж конструкція, але із частотно-регульованим приводом з низько-швидкісним асинхронним двигуном, прямо сполученим з валом пластини фідера. Рівень подачі може регулюватися шляхом підбору швидкості двигуна. Процес має більшу ефективність завдяки виключенню втрат тертя в пасовій передачі. На додаток, система менш піддана перевантаженням або недовантаженням. Також виключається часте обслуговування ремінної передачі описаної вище конструкції.

2.2 Аналіз енергозбереження в емс із некерованими електроприводами

Функціонально-енергетична схема ЕМС з некерованим електро­приводом, зображена на рис. 2.15, має такі позначення: ЕЕ, МЕ — відповідно потоки електричної та механічної енергії; МЕО — ме­ханічна енергія, що використовується в об'єкті для виконання ко­рисної роботи, згідно з його технологічним призначенням; ЕТП, ЕМП — відповідно електротехнічний та електромеханічний перетво­рювачі; ПП — передаточний пристрій; О — технологічний об'єкт (робоча машина).

Рисунок 2.15

Енергетичні особливості кожного елемента функціональної схе­ми визначені коефіцієнтом корисної дії (ККД) η, який характеризує частку втрат енергії у відповідному елементі:

(1)

Де Р_х.вх — потужність, що надходить на вхід елемента х.

Особливістю ЕМС із некерованими ЕП є майже стала величина моменту навантаження (опору) М_с сonst.

Енергетичні рівняння ланок системи, які складають математич­но-енергетичну модель некерованої ЕМС, такі:

(2)

З урахуванням рівнянь (2) потужність на виході об'єкта

(3)

Тут η_ЕМС ^— ККД некерованої електромеханічної системи, що визна­чається як добуток ККД всіх ланок, що входять до складу ЕМС:

(4)

Позначивши ККД електропривода через η_ЕП запишемо вираз (4) у вигляді

(5)

При М_с соnst для некерованих ЕМС можна вважати, що ККД об'єкта також буде сталою величиною η₀ = соnst.

Максимальне значення можна дістати у разі тривалого, некерованого режиму роботи ЕМС за рахунок зростання ККД ЕП до макси­мально можливого значення (η_ЕП -> mах). Для цього слід:

• використовувати складові ЕП із високими значеннями ККД (наприклад, застосування спеціальних типів електродвигунів із підвищеним значенням ККД). При цьому слід враховувати, що досягнення підвищеного значення номінального ККД елект­родвигуна приблизно на 5% потребує збільшення витрат міді та сталі до 25...30 %, що відповідно впливає на вартість двигуна;

• зменшення кількості елементів у складі ЕП (наприклад, застосування безредукторних ЕП; живлення електромеханічного перетворювача безпосередньо від електричної мережі тощо).

ЕМ с некерованими ЕП більш поширені в технічно розвинутих країнах. Завдяки своїй надійності та невеликій вартості вони широ­ко використовуються на потужних вентиляторних, насосних і транспортних установках.

Водночас при застосуванні некерованих ЕП у ході технологічно­го процесу можливі тривалі відхилення М_с від номінального значен­ня, що можуть досягати десятків процентів. У цьому разі при пере­вантаженнях ЕП можливе спрацьовування електричного захисту, а при недовантаженнях об'єкт разом з ЕП виходить із зони номі­нального ККД, що спричинює додаткові витрати електричної енергії.

За значної потужності технологічних об'єктів і відповідних сис­тем ЕП (на насосних установках великих міст можуть досягати кіль­кох тисяч кіловат) непродуктивні втрати електричної енергії можуть бути досить суттєвими. Це, у свою чергу, може бути обґрунтуванням для застосування хоч і складніших, але економічно вигідніших ЕМС із керованими ЕП.

Нині цей напрям розвитку ЕП є пріоритетним, а широка сфера застосування некерованого ЕП постійно звужується.

Головними напрямами реконструкції ЕМС із некерованими ЕП за тривалих відхилень М_с від номінального значення можна вважати:

• ступеневу зміну швидкості (для цього використовуються спе­ціальні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором і полюсоперемикальними обмотками статора, що приводить до ступеневої зміни кількості пар полюсів Р і відповідної зміни синхронної швидкості п= 60f/Р);

• застосування додаткового енергозбережного пристрою (ЕЗП) у колі статора двигуна, завдяки якому електродвигун працює (при зміні М_с) у зоні максимуму ККД на новій характеристиці.

Рішення про застосування ЕЗП має бути детально обґрунтовано з урахуванням вартості пристрою, його ККД і впливу на загальні ККД ЕМС порівняно з вартістю збереженої електроенергії (самоокупність ЕЗП не повинна перевищувати 2-3 роки).

Функціональну схему розімкненої ЕМСА з ЕЗП, що містить елементи розімкненої ЕМС, наведено на рис. 2.16. Вимірювальний елемент ВП контролює зміну моменту збурення М_с і залежно від його величини відповідно діє на енергозбережний пристрій ЕЗП (або на ЕЗП', якщо функції енергозбережного елемента ЕЕ і електротехніч­ного перетворювача ЕТП об'єднуються в одному елементі ЕЗП).

Рисунок 2.16

Величини номінальних ККД окремих пристроїв, що входять до складу ЕМС, залежать від типу, потужності та деяких особливос­тей сучасних елементів системи і вказані у відповідних технічних паспортах.

Наведемо деякі приблизні значення ККД головних складових ЕМС.

Електротехнічні перетворювачі. В цих перетворювачах широко використовують сучасні тиристори при різних варіантах схемних рішень. Їх ККД є досить високим і перебуває в межах 0,95...0,96.

Електромеханічні перетворювачі. Найбільші номінальні значення η за приблизно рівної величини інших параметрів (наприклад, швид­кості та потужності) мають асинхронні електродвигуни з короткозамкненим ротором.

Величина ККД є такою:

• для двигунів загальної серії 4А при потужності 0,55...30 кВт та номінальної швидкості п= 1000 об/хв η = 0,7...0,9;

• для кранових асинхронних двигунів із короткозамкненим ро­тором серії MTKF при потужності 2...40 кВт та п= 1000 об/хв η = 0,6-0,82;

• для двигунів потужних піднімальних машин серії АКН при по­тужності 800...2 000 кВт та n = 750 об/хв η = 0,935...0,948.

Передаточні пристрої. Призначені вони для узгодження швид­кості валів електродвигунів та об'єктів. До передаточних пристроїв належать такі редуктори:

• циліндричні та зубчасті за наявності мастил, для яких η = 0,95...0,96;

• черв'ячні за однозахідного черв'яка, для яких η = 0,7...0,75; за багатозахідних черв'яків η = 0,82...0,92;

• передаточні муфти, для яких η = 0,99.

Технологічні об'єкти. Для деяких із них номінальні значення ККД приблизно такі:

• відцентрові насоси: при тиску до 40 кПа η_н = 0,3...0,6, при тис­ку понад 40 кПа η_н = 0,6...0,8;

• відцентрові вентилятори: η_н = 0,4...0,6;

• осьові вентилятори: η_н = 0,5...0,85;

• піднімальні машини: η_н = 0,65...0,7.