Введение

Резкое повышение за последние годы цен на энергоносители и электронную преобразовательную технику делает актуальным проблему поиска высокоэффективных путей экономии электроэнергии и применения оптимальных алгоритмов управления промышленными объектами, обеспечивающих повышенный срок службы технологического оборудования и снижение затрат на их обслуживание и ремонт.

Одним из таких путей является применение энергосберегающих технологий при построении электроприводов переменного тока, которые для большинства промышленных предприятий составляют основу автоматизации технологических процессов и, как правило, реализуются на основе нерегулируемых систем управления (прямой пуск электродвигателя), которые имеют следующие основные недостатки:

а) высокий уровень пускового тока электродвигателя, достигающего 10-кратного номинального значения, что требует повышенной мощности трансформаторной подстанции;

б) перегрев механических и электрических компонентов электродвигателя и резкое сокращение срока его эксплуатации;

в) износ и сокращение срока службы дорогостоящей релейно-контакторной аппаратуры, которая выпускается, в основном, за пределами России;

г) интенсивное старение дорогостоящих силовых кабельных линий из-за их повышенного нагрева.

Для предотвращения аварийных ситуаций, сокращения потока отказов технологического и электротехнического оборудования, выполненного на системах прямого пуска электродвигателей переменного тока, службы эксплуатации предприятий вынуждены идти на следующие мероприятия:

а) резкое сокращение повторно-кратковременных режимов работы электродвигателей или их полный перевод на непрерывный режим работы (изменение технологии производства);

б) завышение мощности трансформаторной подстанции от 2 до 3 раз;

в) завышение необходимой мощности электродвигателя от 1,5 до 2,5 раз;

г) замена электродвигателей общепромышленных серий на дорогостоящие электрические машины специального назначения.

В результате, потребление электроэнергии технологическими установками возрастает не менее чем от 1,5 до 2 раз по сравнению с реально необходимым значением.

Основным кругом вопросов, составляющих содержание дипломного проекта, является:

1. Выбор тиристорной станции управления ТСУ;

2. Выбор аппаратов защиты от аварийных режимов работы двигателя;

3. Расчет силовой схемы и схемы управления двигателем;

4. Расчет затрат на модернизацию схемы управления и питания и расчет срока окупаемости затрат.

1. Общая часть

1.1 Общие сведения о вентиляции и охлаждении электрооборудования

Электрические машины требуют охлаждение для того, чтобы отводить тепло, произведенное потерями машины, и для того, чтобы обеспечить температуры в машине, которые не превышают максимальные расчетные температуры, установленные для различных частей машины. Эти потери, по существу, являются потерями в стали сердечника статора, потерями в меди обмотки, потерями в роторе, потерями на трение в воздушном зазоре и потерями в подшипнике. Если максимальная расчетная температура обмотки превышается, то существует опасность повреждения электрической изоляции обмоточных проводов.

Отведение с высокой эффективностью из машины количества тепла, произведенного потерями, является важной задачей потому, что отвод тепла требует мощности и поэтому является фактором, снижающим общий КПД электрической машины. Очень сложное охлаждение является значительным вкладом для обеспечения высокого общего КПД электрической машины.

При работе любого электродвигателя часть поступающей к нему энергии затрачивается на потери, связанные с нагревом обмоток и магнитопроводов, трением в подшипниках и враща­ющихся частей о воздух. Хотя потери энергии в современных электродвигателях невелики, при их работе все же выделяется значительное количество тепла, что приводит к нагреву элек­тродвигателей. Различают постоянные и переменные потери в электрических машинах. Величина первых не зависит или мало зависит от нагрузки машины. К ним относятся потери на перемагничивание, на вихревые токи, на нагрев параллельных об­моток возбуждения и на трение (о воздух, в подшипниках, на щетках и т. п.). К переменным относят потери, пропорциональ­ные квадрату тока нагрузки. Это потери на нагрев обмотки якоря или статора, последовательных обмоток возбуждения, коллектора и т. п. На холостом ходу нагрев машин определяется постоянными потерями. По мере загрузки машины увеличиваются переменные потери, и нагрев ее повышается.

Таким образом, вопросы нагрева электродвигателей имеют большое практическое значение, так как нагревом должна оп­ределяться допустимая нагрузка электродвигателя. Темпера­тура неработающей машины равна температуре окружающего воздуха. Если машина приведена в рабочее состояние и нагруз­ка на нее постоянна, то в каждую единицу времени в ней на­чинают выделяться определенные порции тепла. В начальный момент работы все выделенное в машине тепло почти полно­стью идет на ее нагрев, при этом повышается температура ма­шины, т. е. появляется температурный перепад между темпе­ратурой машины и температурой окружающей среды. При по­явлении температурного перепада машина начинает часть вы­деляющегося в ней тепла отдавать окружающей среде путем конвекции, лучеиспускания и теплопроводности.

Чем выше перепад, тем больше тепла машина будет отда­вать окружающей среде. Наконец, перепад достигает такого предельного значения, когда все выделяемое в машине тепло станет отводиться в окружающую среду и нагрев машины прекратится, т. е. ее температура достигнет значения, предель­ного для данной нагрузки.

Для максимального использования (по тепловым возмож­ностям) всех применяемых в электромашине материалов не­обходимо, чтобы при полной нагрузке ее отдельные части на­гревались до температур, близких к предельно допустимым. С этой же целью используется искусственное охлаждение, позволяющее большую часть выделяющегося при работе машины тепла отдавать окружающей среде и тем самым повышать нагрузку без опасности разрушения изоляции машины. Большинство электродвигателей оборудуется самовентиляцией. Лишь электродвигатели, работающие в особо тя­желых условиях, могут иметь независимую вентиляцию. В этом случае воздух через внутренние полости машины продувается независимым вентилятором.

Принудительная вентиляция в помещении необходима в случае, если температура окружающей среды выше 20°C, маленькой площади помещения, частых перегрузок оборудования или при плохой естественной циркуляции воздуха. Вытяжной вентилятор при этом будет позиционироваться в верхней части помещения и служить терморегулятором. Расчет и установка вентиляции должны быть адаптированы к количеству теплопотерь двигателей главного привода стана, другого оборудования и изменениям локального давления, которое возникает между входящим и выходящим потоком воздуха. Также следует учитывать площадь и особенности помещения машинного зала.

Вентиляция электродвигателя подразделяется на два типа, это:

1. Замкнутый цикл вентиляции.

2. Разомкнутый цикл вентиляции.

В обоих циклах подача воздуха осуществляется в оболочку или камеру электродвигателя, но в замкнутом цикле выброс воздуха наружу не производится, а по воздуховоду поступает в охладитель, после чего, при помощи добавочного вентилятора, охлажденный воздух подается обратно в двигатель.

Замкнутый цикл можно охарактеризовать тем, что воздух циркулирует в системе воздушного охлаждения. Воздухоохладитель, в котором осуществляется теплообмен между воздухом и охлаждающей водой, устанавливается перед электродвигателем. В воздушном пространстве перед вентилятором наблюдается воздушное давление равное атмосферному давлению. Температура охлаждающей жидкости на входе в охлаждающее устройство не должна превышать +30^оС, а давление воды внутри воздухоохладителя не должно превышать 300 кПа.

Разомкнутый цикл подразумевает удаление отработанного воздуха при помощи отверстий жалюзи в корпусе статора электродвигателя. Разомкнутый цикл выполняется двух типов:

1. Исполнение системы с забором воздуха в двигатель из машинного зала и выбросом воздуха наружу из зоны обслуживания.

2. Забор воздуха из специального помещения (подвала) и выбросом его внутрь машинного зала.

Разомкнутый цикл подразумевает использование для электродвигателей большой мощности — от 6300 до 8000 кВт. Для этого типа охлаждения непременным является наличие воздушных фильтров, предназначенных для получения чистого воздуха. Обязательно использование фильтров грубой и тонкой очистки, они используются совместно с коробами для отвода отработанного воздуха за границы рабочей зоны, где установлено оборудование. Выброс воздуха при разомкнутом цикле не должен происходить во взрывоопасное помещение. Для осуществления нормального режима охлаждения, расход воздуха должен быть не менее 3 м³, для этой цели предназначен специально установленный вентилятор.

1.2 Требования к системе вентиляции

Для эффективности системы вентиляции, при необходимости в одновременном применении нескольких электродвигателей, предусматривается использование индивидуальной или групповой системы охлаждения. В том случае, когда первый вариант невозможен, используют систему вентиляции общую для всех электродвигателей.

Необходимо использовать вентиляторы для основного рабочего периода с возможностью применения дополнительного (резервного) вентилятора.

Групповая система охлаждения, при замкнутом цикле, подразумевает дополнительное применение самостоятельной, предварительной продувки всех машин перед пуском, в индивидуальном порядке. Это делается с целью обеспечить эффективный воздухообмен, позволяющий увеличить его стандартное значение в контуре электродвигателя в определенное, заданное время в пять раз.

Система вентиляции в обязательном порядке должна быть оборудована:

1. Клапанами перекидного или лепесткового типа для отключения вентилятора, находящегося в резерве.

2. В вентиляционной камере должны быть установлены обратные клапаны, они служат для отключения воздуховода от помещения, в котором находится взрывоопасное оборудование на время остановки вентиляционной системы.

3. Для электродвигателя продуваемого типа должна быть предусмотрена блокировка вентиляционных систем, не разрешающая запуск двигателя без выполнения предварительной продувки и без создания требуемого давления в вентиляционном контуре электродвигателя.

4. Должен быть выполнен монтаж шибера, который отключит продуваемый электродвигатель от воздуховода на время простоя.

5. Рекомендуется монтаж воздуховодов вести открыто, выполнять его необходимо из сварных труб с толщиной минимум 1,6 мм. На протяжении всего воздуховода необходимо использовать минимум фланцевых соединений, использовать фланцы допускается только в области подключения к электродвигателю для его последующего демонтажа.

6. Скрытые воздуховоды разрешаются только в исключительных случаях, при условии наличия засыпных каналов там, где присоединение к электродвигателю выполняется ниже высоты пола. В этом случае фланцевые соединения необходимо исключить из конструкции.

7. Выброс воздуха для электродвигателей, расположенных во взрывозащищенном помещении, при разомкнутом цикле охлаждения, извне помещения, выше уровня крыши не менее 1 м.

1.3 Требования к промышленной безопасности вентиляции

Правильная вентиляция машзала листопрокатного цеха №1 необходима, так как ограничение циркуляции воздуха приводит к номинальному снижению мощности главных электродвигателей стана 2850.

Оборудование для системы воздушного охлаждения электрического оборудования машинного зала стана 2850 должно соответствовать Федеральному закону от 21.07.1997 № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».

Технические средства для системы охлаждения электрического оборудования должны соответствовать необходимым условиям эксплуатации, без отрицательного воздействия на обслуживающий персонал.

Перечень аварийных ситуаций, в соответствии с которыми должны быть регламентированы требования надежности:

• неисправность оборудования системы воздушного охлаждения электрооборудования машзала стана 2850;

• неисправность установленного электрооборудования.

Система воздушного охлаждения электрического оборудования машинного зала стана 2850 должна соответствовать условиям эксплуатации в соответствие со СНиП 2301-99, климатический район эксплуатации - 1-В.

Система воздушного охлаждения электрического оборудования машинного зала стана 2850 должна удовлетворять требованиям по воздействию внешней среды согласно ГОСТ 17516-72 – М30.

2. Специальная часть

2.1 Описание рабочей машины и её технологического процесса

Основными элементами вентиляционной установки являются вентилятор и его привод (электродвигатель). В процессе работы вентилятор создает разность давлений воздуха, которая зависит от его окружной скорости. Под влиянием разности давлений воздух всасывается через приемные устройства и по воздуховодам (или без них) подается к месту назначения.

Вентилятор машинного зала предназначен для вентиляции и охлаждения тиристорных преобразователей постоянного тока, находящихся в помещении машинного зала и предназначенных для питания двигателей агрегатов листопрокатного стана, а также для внешнего охлаждения подшипников скольжения двигателей главного привода.

Вентилятор состоит из вращающегося рабочего колеса с лопастями. Поток воздуха, проходя через рабочее колесо 1 с лопастями 2 машины центробежного типа, изменяет своё направление под углом 90° (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема лопастной машины центробежного типа.

Вращение колеса осуществляется от асинхронного короткозамкнутого двигателя типа АО3-355М6. Электродвигатель закрытого типа с самовентиляцией, подключен треугольником. Характеристика электродвигателя системы вентиляции машзала ЛПЦ-1 приведена в таблице 1.

Таблица 1. Номинальные данные электродвигателя

Мощность электродвигателя, кВт	200
Число оборотов, мин-1	980
Номинальный ток статора, А	355
Cos φ	0,9
Пусковой ток, А	2520

В летнее время привод вентилятора работает в непрерывном режиме работы. Отключение двигателя в этот период производится на время простоев двигателей главного привода и на время проведения ремонтов.

В период осени, зимы и весны, по условиям технологического процесса и в целях экономии электроэнергии, электропривод вентилятора может быть переведен из непрерывного в повторно-кратковременный режим работы.

Особенностью механизма вентилятора является большой момент инерции вращающихся частей по сравнению с собственным моментом инерции приводного двигателя. По этой причине возникают затяжные пусковые режимы (от 5 до 10 секунд), характеризующиеся повышенными динамическими усилиями в механических передачах и значительным шумом, связанным с резонансными явлениями из-за упругих деформаций.

В рассматриваемой установке пусковые режимы настолько неблагоприятны, что при нескольких пусках подряд двигатель выходит из строя из-за перегрева статорных обмоток. Неблагоприятные условия эксплуатации создаются и из-за повышенного напряжения на питающей линии в ночное время, вследствие чего существенно увеличиваются потери в двигателе и его нагрев.

В данной ситуации возможен вариант установки дополнительного вентилятора гораздо меньшей мощности на зимний период. Но в настоящее время данная реконструкция повлечёт за собой гораздо большие капитальные затраты чем предложенный мною вариант.