Электромеханические системы автоматизации стационарных установок


В. Ф. Борисенко, В. А. Сидоров







                ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ СТАЦИОНАРНЫХ УСТАНОВОК




Монография












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.01:62-83:669
ББК 31.291+34.4 Б82




Рецензенты:
БершадскийИльяАдольфович, доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий и городов», ГОУ ВПО «Донецкий национальный университет», г. Донецк
Пенчук Валентин Алексеевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Наземные транспортно-технологические комплексы и средства», ГОУ ВПО «Донбасская национальная академия строительства и архитектуры», г. Макеевка





      Борисенко, В. Ф.
Б82 Электромеханические системы автоматизации стационарных установок : монография / В. Ф. Борисенко, В. А. Сидоров. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 364 с.:ил.,табл.
             ISBN 978-5-9729-0892-9

             Рассмотрены вопросы поведения электромеханических систем общепромышленной группы механизмов с приводными асинхронными и синхронными двигателями, получающими питание от преобразователей частоты. В качестве приводимых механизмов представлены агрегаты аэродинамической группы, такие как насосы, вентиляторы, эксгаустеры. Приводятся обзорные материалы по продукции шведской фирмы АВВ и немецкой Bartec применительно к подъёмным механизмам и рудничным конвейерам. Изложены методы диагностирования технического состояния электромеханических систем, приводятся результаты экспериментальных исследований.
             Для инженерно-технического персонала, специалистов в области машиностроения и электропривода. Может быть полезно аспирантам и студентам электротехнических и металлургических направлений подготовки.


                                                                           УДК 621.01:62-83:669
                                                                           ББК 31.291+34.4











ISBN 978-5-9729-0892-9

             © Борисенко В. Ф., Сидоров В. А., 2022
             © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                                     © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

        ОГЛАВЛЕНИЕ



ОТ РЕДАКТОРА...........................................................7
ПРЕДИСЛОВИЕ............................................................8
ВВЕДЕНИЕ...............................................................9
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.......................................10

Часть первая
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ НА БАЗЕ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.................................................11
1.1. Анализ электромеханических и регулировочных свойств синхронных двигателей..................................................11
   1.1.1. Электромеханические свойства синхронных двигателей..........11
   1.1.2. Особенности пускового режима синхронных двигателей..........17
   1.1.3. Система управления синхронного электропривода...............21
   1.1.4. Схемы питания синхронных двигателей.........................38
   1.1.5. Оценка схем питания синхронных двигателей с точки зрения колебательности электромагнитного момента..........................45
   1.1.6. Прямой и управляемый пуски синхронного двигателя............49
   1.1.7. Прямое управление моментом (DTC).............................60
1.2. Технологические схемы и оборудование мощных гидропневмоустановок и особенности их работы.................................................63
1.3. Особенности работы электромеханических систем нагнетателей.......72
1.4. Вопросы повышения производительности нагнетательной станции средствами электропривода.........................................................75
1.5. Ресурсосбережение в электроприводах мощных нагнетателей, работающих параллельно на сеть....................................................78
Список литературы к части первой......................................88

Часть вторая
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С ПРИВОДНЫМИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ..............................................90
2.1. Общие вопросы управления производительностью механизмов аэрогидродинамической группы...........................................90
2.2. Энергосберегающие алгоритмы управления насосными станциями.......95
2.3. Динамика ЭМС групповой насосной установки........................99
2.4. Динамика электромеханической системы
   «преобразователь частоты - АД с к.з.р. - насос» с учётом нестационарного течения жидкости в трубопроводе..........110
2.5. Реализация энергосберегающей системы электропривода для многонасосной станции ДПВЗ..........................................................119
2.6. Стабилизация давления в диктующей точке после возникновения гидроудара средствамиэлектропривода..............................................121
Список литературы к части второй.....................................130

3

Часть третья
ВОПРОСЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ШАХТНЫХ ПОДЪЁМНЫХ
МАШИН И ВЕНТИЛЯТОРОВ ГЛАВНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ..............................133
3.1. Общие особенности электроприводов переменного тока фирмыАВВ (Швеция).......................................................134
    3.1.1. Прямое управление моментом...................................134
    3.1.2. Коммутирующие приборы IGCT...................................136
    3.1.3. Общая шина постоянного тока..................................136
    3.1.4. Инжиниринговое программное обеспечение.......................137
         3.1.4.1. DriveSize для выбора двигателей и приводов............137
         3.1.4.2. DriveWindow...........................................138
         3.1.4.3. DriveSupport..........................................139
         3.1.4.4. Программа DriveОРС....................................140
3.2. Новые предложения АВВ в области электропривода.....................140
    3.2.1. Приводы семейства CompAC (компонентные приводы)...............140
    3.2.2. Преобразователь ACS550...................................... 141
3.3. Тиристорный преобразователь частоты серии ACS800...................142
    3.3.1. Тиристорный электропривод переменного тока для ШПМ на базе ACS800..................................................... 142
    3.3.2. Общие сведения о приводах ACS800.............................144
    3.3.3. Техническиехарактеристики ACS800............................ 146
    3.3.4. Конструкция ACS800...........................................148
3.4. Аппаратная часть...................................................148
    3.4.1. Основные особенности стандартной аппаратной части............148
    3.4.2. Полнофункциональный 4-квадрантный привод.....................148
    3.4.3. Удобное и надёжное электроснабжение..........................148
    3.4.4. Передовая технология - DTC...................................149
    3.4.5. Панель управления............................................150
    3.4.6. Управление по шинам Fieldbus.................................151
    3.4.7. Управление приводом..........................................151
3.5. Стандартное прикладное программное обеспечение.....................151
    3.5.1. Стандартные прикладные макросы...............................151
    3.5.2. Особенности программного обеспечения.........................152
    3.5.3. Предварительно запрограммированные функции защиты............152
    3.5.4. Функциизащиты, программируемые пользователем.................152
    3.5.5. Программа запуска Start-up Assistant.........................152
    3.5.6. Адаптивное программирование..................................153
3.6. Преобразователь частотыACS1000 с воздушным охлаждением.............154
    3.6.1. Преобразователь..............................................157
    3.6.2. Прямое управление моментом (DTC).............................160
    3.6.3. Оборудование управления и контроля...........................160
    3.6.4. Стандартные функции управления и контроля....................160
         3.6.4.1 Функции управления двигателем..........................161
         3.6.4.2 Функции управления.....................................162
         3.6.4.3 Диагностика............................................163
    3.6.5. Стандартные функциизащит.....................................164
    3.6.6. Программные средства.........................................164
3.7. Привод с ACS6000 ................................................. 165

4

    3.7.1 Приводы переменного тока среднего напряжения для
         регулирования угловой скорости и крутящего момента электродвигателей мощностью 3...27 МВт.............................................165
    3.7.2. Общий вид преобразователя......................................166
    3.7.3. Главные особенности............................................168
    3.7.4. Особенности технологии.........................................169
    3.7.5. Модульный принцип..............................................170
         3.7.5.1. Преимущества модульного принципа........................170
         3.7.5.2. МодулиАСЗбООО...........................................171
         3.7.5.3. Активный выпрямительный модуль (ARU), инверторный модуль (INU).....................................................171
         3.7.5.4. Сетевой модуль питания (LSU)............................173
         3.7.5.5. Модуль водяного охлаждения (WCU)........................173
    3.7.6. Системы Industrial¹¹ и DriveIT.................................173
    3.7.7. DriveWare - вспомогательные программные средства...............174
3.8. Системы плавного пуска...............................................174
    3.8.1. Одновременное решение механическихиэлектрических проблем.......174
    3.8.2. Системы плавного пуска - полный диапазон устройств.............175
    3.8.3. Применение PSS03...PSS25.......................................177
    3.8.4. Системы плавного пуска типа PST................................177
         3.8.4.1. Описание................................................178
         3.8.4.2. Применение PST..........................................178
3.9. Рудничные взрывобезопасные преобразователи частоты...................185
    3.9.1. Общие сведения.................................................185
    3.9.2. Системы частотно-регулируемого электропривода для ленточных конвейеров............................................................185
    3.9.3. Рудничные преобразователи частоты типа DYNAVERT................188
         3.9.3.1. Применение..............................................189
         3.9.3.2. Принцип действия........................................189
         3.9.3.3. Силовая часть...........................................189
         3.9.3.4. Управляющая часть.......................................190
         3.9.3.5. Цифровая электроника....................................190
         3.9.3.6. Обслуживание............................................190
         3.9.3.7. Коммуникационные возможности............................191
         3.9.3.8. Согласование с электродвигателем........................191
         3.9.3.9. Электромагнитная совместимость с сетью..................192
         3.9.3.10. Механическая конструкция...............................192

Часть четвёртая ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ...............................194
4.1. Обработка сигналов в диагностике электромеханических систем..........194
4.2. Временная реализация вибрационного сигнала...........................210
4.3. Достоинства анализа временного сигнала...............................216
    4.3.1. Анализ временных реализаций вибрационного сигнала..............216
    4.3.2. Обработка результатов измерений временного сигнала.............222
    4.3.3. Исследование диагностических параметров электромеханической системы................................................................224
4.4. Причины колебаний в линиях привода металлургических машин............230
4.5. Методы распознавания технического состояния...........................239

5

4.6. Оценка состояния электромеханической системы - главной линии прокатного стана........................................................244
4.7. К оценке состояния электромеханической системы клети «трио» на базе результатов вибрационного обследования..................................252
4.8. Вопросы разработки математических моделей диагностики состояния электромеханических систем промышленных установок......................262
Список литературы к части четвёртой.....................................280

Часть пятая ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ...................................282
5.1. Определение технического состояния.................................282
5.2. Прогнозирование технического состояния.............................291
5.3. Повреждения элементов механизмов...................................300
    5.3.1. Подшипники качения...........................................300
    5.3.2. Зубчатые передачи............................................308
    5.3.3. Валы, шлицевые, шпоночные соединения.........................316
5.4. Измерение параметров вибрации......................................326
    5.4.1. Измерение общего уровня вибрации.............................328
    5.2.4. Измерение ударных импульсов..................................334
5.5. Использование результатов технического диагностирования при ремонтах металлургического оборудования.........................................341
5.6. Методы оценки состояния привода эксгаустера........................348
Список литературы к части пятой.........................................355


6

        ОТ РЕДАКТОРА


      Предыдущее издание монографии было реализовано более пятнадцати лет назад. За это время произошли большие изменения по многим направлениям в научной и технической жизни. Менялись ориентиры сотрудничества у многих фирм, ставились новые цели и задачи перед техническими и научными коллективами. Большой интерес остается у научно-практических институций в плане дальнейшего внедрения регулируемых систем электроприводов на переменном токе, имеются в виду преобразователь частоты (ПЧ) - асинхронный двигатель, ПЧ - синхронный двигатель.
      Отечественные и зарубежные фирмы непрерывно совершенствуют системы управления преобразователями, применяя новую элементную и силовую технику, расширяется пакет прикладных программ, аппарат нейронных сетей становится основным для ряда специальных систем управления.


Проф. В. Ф. Борисенко


7

        ПРЕДИСЛОВИЕ


     В настоящую монографию вошли материалы, предоставленные сотрудниками Донецкого национального технического университета проф. В. Ф. Борисенко и проф. В. А. Сидоровым, представляющими кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок и механического оборудования заводов чёрной металлургии. Материалы первой, второй и третьей частей предоставлены проф. В. Ф. Борисенко, а четвёртой и пятой - проф. В. А. Сидоровым.
     Общее редактирование монографии выполнено проф. В. Ф. Борисенко.

8

        ВВЕДЕНИЕ


      Электромеханические системы автоматизации горно-металлургического комплекса включают большое разнообразие механизмов, отличающихся как режимами работы, так и характером нагружения.
      Подавляющее большинство стационарных механизмов - вентиляторы, насосы, компрессоры и др. - работают в длительном режиме с мало изменяющейся нагрузкой. Число одновременно работающих механизмов аэрогидродина-мической группы на магистраль может колебаться от одного до нескольких, причём, возможны параллельная или последовательная схемы включения машин.
      Стремление к работе с высокими технико-экономическими показателями систем и механизмов побуждает эксплуатационников пересмотреть существующие устоявшиеся методы регулирования производительности последних, а также более жёстко подходить к заказу нового оборудования, обращая внимание, в первую очередь, на качественную сторону оборудования и его энергопотребление. Работа с переменной производительностью машины в течении суток (изменение её в 1,5-2 раза, например) заставляет отказаться от неэкономичных систем с «дросселированием» (вентилятор, насосы) и перейти на энергосберегающие системы электропривода, в качестве которых можно назвать «преобразователь частоты-асинхронный двигатель», «преобразователь частоты-синхрон-ный двигатель». Системы ПЧ-АД и ПЧ-СД уже достаточно хорошо себя зарекомендовали в работе и продолжают вытеснять устаревшие системы и способы регулирования.
      Как мы видим, будущее за системами переменного тока с высокими энергетическими показателями. Поэтому основное внимание сосредоточим на работе приводов переменного тока и их особенностях.
      Особое внимание уделяется вопросам диагностирования электромеханических систем. Это связано с существенным износом действующего оборудования, полной замены которому в настоящее время нет. Поэтому поддержание оборудования в рабочем состоянии за счёт контроля его текущего состояния и проведения профилактических ремонтов является главной задачей инженерно-технического персонала предприятий.

9

        УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

U    - напряжение                              
I, i - ток                                     
Т    - потокосцепление                         
R    - активное сопротивление                  
и    - угловая частота вращения                
е    - угол                                    
M    - момент                                  
L    - индуктивность                           
X    - индуктивное сопротивление               
Р    - жёсткость механической характеристики   
5    - скольжение                              
f    - частота                                 
E    - электродвижущая сила                    
P    - мощность                                
Q    - производительность                      
D    - диапазон                                
H    - давление                                
t    - время                                   
ТЭЦ  - теплоэнергоцентраль                     
эдс  - электродвижущая сила                    
АД   - асинхронный двигатель                   
нпч  - непосредственный преобразователь частоты
АРВ  - автоматическое регулирование возбуждения
сд   - синхронный двигатель                    
уп   - управляемый преобразователь             
ЛУ   - логическое устройство                   
ФИ   - формирователь импульсов                 
к    - компаратор                              
зг   - задающий генератор                      
АИТ  - автономный инвертор тока                
АИН  - автономный инвертор напряжения          
кпд  - коэффициент полезного действия          
ВД   - вентильный двигатель                    
кхз  - коксохимический завод                   

10

        Часть первая
        ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ НА БАЗЕ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И РЕГУЛИРОВОЧНЫХ СВОЙСТВ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

     В настоящее время синхронные двигатели находят монопольное применение в нерегулируемых приводах длительного режима, если расчётная мощность превышает 300...400 кВт. В качестве приводимых механизмов могут быть названы: вентиляторы, насосы, компрессоры, воздуходувки, эксгаустеры, черновые клети непрерывных станов горячей прокатки и т.д.
     Отмечается также устойчивая тенденция к использованию синхронных двигателей для регулирования производительности механизмов аэрогидроди-намической группы. Для механизмов этой группы момент сопротивления можно считать пропорциональным квадрату частоты вращения - Мс = го², тогда мощность Р = М-го будет пропорциональна кубу частоты вращения - Р = = го³. Регулируя производительность вниз от основной, будем иметь существенное снижение потребляемой мощности. В качестве примера удобно взять снижение производительности, например, вентилятора, в два раза. При этом теоретически потребляемая мощность уменьшится в (го/2)³ - восемь раз.
     Регулирование частоты вращения синхронного двигателя наиболее просто реализуется при питании последнего от преобразователя частоты (п₀ = = 60-f/p). На внутреннем рынке имеется широкий выбор преобразователей частоты, произведенных как отечественными заводами, так и зарубежными фирмами. Широкий спектр продукции предлагается зарубежными фирмами, такими как Elvovert (Австрия), SIEMENS (Германия), Schneider electrique (Франция), ABB (Швеция, Финляндия), Danfoss (Дания).

1.1.1. Электромеханические свойства синхронных двигателей

     В теории автоматизированного электропривода реальная синхронная машина заменяется эквивалентной двухфазной. Это преобразование позволяет значительно снизить число дифференциальных уравнений, с другой стороны, рассматривать вопросы электромеханического преобразования энергии с единых позиций, как и для других двигателей. Эквивалентная двухфазная синхронная машина с явнополюсным ротором представлена на рис. 1.1.1.


11

     Обмотки фаз статора питаются симметричной двухфазной системой напряжений:



Uiₐ = Ujт Sin Ю₀₃„t.

(1.1.1)

Uip = Uiₘ sin I ®o3^t - - I = -Uiₘ COS ©оэлt.

Рис. 1.1.1. Схемаэквивалентнойдвухфазнойсинхронноймашины

      Обмотка возбуждения размещена на оси 2d явнополюсного ротора и подключена к источнику постоянного напряжения Ue.
      Уравнения электрического равновесия, записанные для реальных переменных в осях 1а, 1р, 2d, 2q имеют вид:

Г            d Щ,
Uₗₐ= R1 ■ /₁а₊ —

-U!P= Ri ■ iip₊ d>                     (1.1.⁻)
U ₑ = Rₑ ■ iₑ + d'Ve [ e e e dt

      Особенностью рассматриваемого двигателя является синхронное вращение ротора с вращающимся полем статора. При работе в двигательном режиме ротор отстает от поля статора на угол Оэл = Фоэл — Фэл = иo-.J — Фэл, поэтому наиболее удобный для анализа вид уравнения динамической характеристики имеет место в осях d, q. Преобразуем вначале напряжения U1 а, U1 р к осям d, q с помощью формул прямого преобразования:


12

и 1 d = и iₐ cos ф эл + и10 sin ф эл =
               = U1 т (sⁱⁿ ®0эл! ■ cos фэл - cos ®03„t ■ sⁱⁿфэл ⁾ = U1 т sⁱⁿ © эл
U1 q =⁻U 1a sⁱⁿ фэл + U10 cos фэл =
= U1 т ⁽⁻ sⁱⁿ ®0■ sⁱⁿ фэл ⁻ cos ®0■ С^фэл ⁾ =⁻U1 т sⁱⁿ ©эл


(1.1.3)

      Уравнения динамической механической характеристики синхронного двигателя в осях d, q имеют вид:


d Т,.,
U1 т sⁱⁿ©эл = R1 ■ i1 d + —--®эл 'Т1 q


<

„ ■    d Т1 q
                       ⁻ U1 т cos ©эл = R1 ■ i1 q + + ®эл Т' d


(1.1.4)

d Т
U ₑ = Rₑ ■ iₑ + dT^ е е е dt

                      М = Р„ (Т1 d ■ i1 q -Т1 q ■ i1 d )


      Запишем уравнения потокосцеплений с учётом того, что для явнополюсного ротора Lid ф Liq и L12d + L12q:
Т s = Lsis + L12 d i1 d; Т1 d = L1 d i1 d + L12 d is; Т1 q = L1 qi1 q


      Данной системе уравнений отвечает структурная схема, приведенная на рис. 1.1.2.


Рис. 1.1.2. Структурная схема преобразования энергии в синхронном двигателе

13

     Уравнения (1.1.4) нелинейны в связи с наличием произведений переменных, поэтому для строгого анализа динамических режимов синхронного двигателя следует использовать вычислительные машины.
     Приближенное уравнение динамической механической характеристики может быть получено с помощью угловой статической характеристики двигателя, для чего положим в(1.1.4):

dt

d ^1 q = d в
dt dt

= о,

®эл  ®0 эл.

     Пренебрежем активным сопротивлением статора R 1 ~ 0 и примем, что обмотка возбуждения получает питание от источника тока и во всех режимах iₑ = —Ц = const. При этом система (1.1.4) принимает вид:


                 U1m sin 0эл =-®0элL1 q¹1 q = ⁻Л'| q¹1 q
                ‘ ⁻U1 m COS⁰эл = ®0элL1 d¹1 d ⁻®0элL12dIn = Л'| d¹1 d ⁻Ет ⁽1.1.5⁾
                 М = pn (⁻LildIJ1 q + ⁽L d - L1q ⁾11ql1 d )


     Из первого и второго уравнений (1.1.5) определим токи статора:

U1 m sⁱⁿ ⁰ эл . -------------.

Ет - U1 т COS 0эл

(1.1.6)

     Подставив выражения токов (1.1.6) в третье уравнение (1.1.5) и учитывая, что L₁₂Iₑ = Eₘ/?)₀эл, после преобразований получим уравнение угловой характеристики двухфазного явнополюсного синхронного двигателя в виде:


                         U1 ₘEₘ sin0эл m m __ irn m эл
                                     ®0 ''l d


  U,² I 1    1 )
+ U¹m----------I sin20 эл
  ²®0 ^ ^1 q ^1 d J

(1.1.7)

sin20 эл             (1.1.8)

      Проведём замену переменных двухфазной машины переменными трехфазной и перейдем к эффективным значениям ЭДС и напряжения. В результате получим известное уравнение угловой характеристики трехфазного явнополюсного синхронного двигателя:

                 M = 3UФ E sⁱⁿ⁰эл ₊ ³¹ 'Ф (J___1_
®0 Л'| d  ²®0 ^ Л'| q Л'| d


      Уравнение (1.1.8) свидетельствует о том, что электромагнитный момент синхронного двигателя состоит из двух составляющих, первая из которых обусловлена взаимодействием вращающегося поля статора с полем возбужденного ротора, а вторая - представляет собой реактивный момент, обусловленный явнополюсным исполнением ротора. Вследствие явнополюсности энергия магнитного поля максимальна при любом из двух возможных соосных с полем статора положений ротора, что и определяет зависимость реактивного момента от двойного угла 0эл. Примерный вид угловой характеристики М(0эл) приведен нарис. 1.1.3.


14