X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Компрессоры относятся к группе механизмов, получивших широкое распространение на всех промышленных предприятиях. Потребность в сжатом воздухе непосредственно в шахте или карьере удовлетворяется компрессорными установками, состоящими из совокупности компрессора, привода, аппаратов, трубопроводов и оборудования, необходимого для осуществления повышения давления и перемещения газа. Компрессоры применяют для сжатия газов до избыточного давления более 0,2 МПа. Основными составными частями привода компрессора служат двигатель, механизм передачи движения от двигателя к валу компрессора и аппаратура управления. Далее под приводом компрессора будем понимать его главную часть – электродвигатель.

Приводы компрессорных установок должны удовлетворять следующим требованиям: надежность в работе, простота конструкции, экономичность; высокая степень автоматизации и гибкость характеристики, т. е. способность привода автоматически приспосабливаться к условиям, которые меняются в процессе работы с обеспечением наиболее экономичного использования мощности.

В большинстве случаев для привода компрессора используют трехфазные электродвигатели переменного тока. Электродвигатели переменного тока делятся на синхронные (СД) и асинхронные (АД). Разница между ними в том, что в первых ротор и магнитное поле статора вращаются с одной скоростью, а во вторых ротор вращается медленнее, чем магнитное поле. Различаются они по принципу действия и по особенностям их запуска.

Трехфазные АД составляют основу современного электропривода. По конструкции ротора АД разделяются на двигатели с короткозамкнутым ротором (рис. 1, а) и с фазным ротором (рис. 1, б).

Рис.1. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым (а) и фазным (б) роторами

Короткозамкнутый ротор не имеет выводов, так как обмотка выполнена в виде короткозамкнутой клетки: ряд медных или алюминиевых стержней, расположенных по периметру сердечника ротора, замкнуты с двух сторон кольцами.

Фазный ротор имеет трехфазную катушечную обмотку, выполненную по типу обмотки статора. Одни концы этой обмотки соединены в нулевую точку, т.е. обмотка соединена «звездой», а другие – подключены к трем контактным кольцам, изолированным друг от друга и от вала. На кольца наложены щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой ротора. При такой конструкции фазного ротора возможно присоединение к обмотке ротора пускового или регулировочного реостата, позволяющего изменять электрическое сопротивление цепи ротора.

АД с фазным ротором более сложны, а следовательно, имеют высокую стоимость, к тому же нуждаются в периодическом уходе. По этим причинам двигатели с фазным ротором применяют лишь в случаях, когда двигатели с короткозамкнутым ротором своим пусковым или регулировочным свойствам неприменимы. Ротор асинхронной машины и вращающееся магнитное поле статора вращаются с разными скоростями, т.е. они вращаются асинхронно. В этих условиях вращающееся поле статора индуцирует ЭДС в обмотке ротора. В рабочих режимах разница в частотах вращения поля статора и ротора невелика и составляет лишь несколько процентов.

Характерным признаком СД является независимость частоты вращения ротора от нагрузки, т.е. имеют абсолютную жесткую механическую характеристику: ротор двигателя всегда вращается синхронно с полем статора. Ротор СД имеет явнополюсную конструкцию, на полюсах которого расположена обмотка возбуждения. При подключении этой обмотки к источнику постоянного тока в двигателе наводится магнитное поле, т.е. двигатель возбуждается. Важным достоинством синхронных машин является их способность экономичного генерирования и потребления реактивной мощности, так как они возбуждаются постоянным током.

АД с короткозамкнутым ротором малой мощности допускают непосредственное включение в сеть, для двигателей средней мощности применяют пуск с переключением со звезды на треугольник, а для крупных двигателей – через пусковой трансформатор или последовательное включение статорных обмоток. При пуске АД с короткозамкнутым ротором возникает пусковой ток, сила которого превышает силу номинального тока в 4-7 раз. Поэтому прямое включение в сеть применяется только для двигателей мощностью до 200 кВт. Более мощные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором включают сперва на пониженное напряжение, чтобы сила пускового тока снизилась в 3-4 раза. С этой же целью применяют пуск асинхронного двигателя через автотрансформатор, включенный на время пуска последовательно с обмоткой статора. Основные недостатки асинхронного двигателя – ограниченный диапазон регулирования частоты вращения и значительное потребление реактивной мощности в режиме малых нагрузок. Создание регулируемых статических полупроводниковых преобразователей частоты существенно расширяет область применения асинхронного двигателя в автоматических регулируемых электроприводах.

Так как СД имеет в синхронном режиме одну рабочую скорость, то пуск электродвигателя осуществляется в асинхронном режиме. Для этого в конструкции ротора предусмотрена короткозамкнутая обмотка, конструкция которой аналогична клетке ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя. Поэтому при разгоне до подсинхронной скорости двигатель работает как асинхронный короткозамкнутый. По достижении подсинхронной скорости в обмотку возбуждения подается постоянный ток, и двигатель втягивается в синхронизм. При работе в установившемся режиме с синхронной скоростью ток в пусковой клетке не протекает. Пусковая клетка ротора рассчитывается на кратковременный режим работы, и длительная (свыше 20-30 с) работа в асинхронном режиме недопустима. Кроме обеспечения режима пуска, пусковая клетка играет роль демпферной обмотки, стабилизируя переходные процессы при работе двигателя в синхронном режиме.

Механическойхарактеристикой электродвигателя называется зависимость частоты вращения ротора от нагрузки (вращающегося момента на валу) (рис. 2, а). При номинальной нагрузке частота вращения для различных двигателей обычно составляет 98—92,5 % частоты вращения n₁ (скольжение s_ном = 2 – 7,5 %). Чем больше нагрузка, т. е. вращающий момент, который должен развивать двигатель, тем меньше частота вращения ротора.

Рис. 2. Механическая характеристика АД

Механическая характеристика АД представляет собой кривую. Как видно из графика, частота вращения асинхронного двигателя лишь незначительно снижается при увеличении нагрузки в диапазоне от нуля до наибольшего ее значения. АД имеют жесткую механическую характеристику, т.к. частота вращения ротора мало зависит от нагрузки на валу, что является одним из достоинств.

Рассмотрим механическую характеристику СД (рис.3).

Рис. 3. Механическая характеристика синхронного двигателя: 1 – синхронного режима; 2 – пусковая (асинхронный режим)

Механическая характеристика СД представляет собой прямую, параллельно оси абсцисс и ограниченную значениями момента , т. е. частота вращения его не зависит от нагрузки и имеет жесткую механическую характеристику.

С увеличением нагрузки момент возрастает и достигает критического максимального значения, который двигатель в состоянии создать при заданном сетевом напряжении и токе возбуждения.

Чтобы сделать выбор между синхронным или асинхронным двигателем для привода компрессорной установки, сравним их:

1. Обмотки статора и асинхронного, и синхронного двигателя получают питание от сети трехфазного переменного тока. Для питания обмотки возбуждения СД требуется, кроме того, источник электрической энергии постоянного тока, правда, относительно небольшой мощности.

2. Асинхронный пуск СД сложнее, чем пуск АД с короткозамкнутым ротором. В отношении пусковых свойств АД имеют весьма существенные преимущества перед синхронными двигателями.

3. Частота вращения СД при изменении нагрузки не меняется, т.е. остается постоянной, тогда как у АД даже при их работе на естественной характеристике она несколько изменяется.

4. АД позволяют регулировать частоту вращения различными способами. Использование некоторых из этих способов для регулирования частоты вращения синхронных двигателей в принципе невозможно, а некоторых связано с большими конструктивными и эксплуатационными трудностями. Учитывая это, следует иметь в виду, что синхронные двигатели относятся к двигателям с нерегулируемой частотой вращения.

5. При воздействии на ток возбуждения СД, в широких пределах меняется коэффициент мощности, т.е. синхронный двигатель работать с cos φ = 1, а также с опережающим током. Последнее может быть использовано для улучшения коэффициента мощности других потребителей, питающихся от той же сети. В отличие от этого асинхронный двигатель представляет собой активно-индуктивную нагрузку и имеет всегда cos φ < 1.

6. Из-за малых потерь мощности в роторе, а также в обмотке статора при работе с высоким cos φ КПД синхронных двигателей оказывается больше, а масса и габаритные размеры меньше, чем у асинхронных двигателей.

Исходя из вышеуказанных достоинств синхронных двигателей, для привода компрессорной установки свой выбор можно остановить на синхронном двигателе. Так как для компрессорной установки характерны редкие пуски, продолжительный режим работы и не требуется регулирование частоты вращения.

Список литературы:

1. Андросова А.С., Волотковская Н.С. Энергоэффективные режимы работы автоматизированного электропривода шахтных калориферных установок // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – № 4-2. – С. 131-134.

2. Григорьева А.М., Федоров О.В. Автоматизация режимов работы компрессорных установок // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – № 4-2. – С. 141-144.

3. Гришко А.П. Стационарные машины. – Том 2. Рудничные водоотливные, вентиляторные и пневматические установки: учебник для вузов. – М.: Издательство «Горная книга», 2007.

4. Егоров А.Н., Семёнов А.С., Федоров О.В. Практический опыт применения преобразователей частоты POWER FLEX 7000 в горнодобывающей промышленности // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – 2017. – № 4. – С. 86-93.

5. Кацман М.М. Электрический привод: учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования. – 6-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2013.

6. Матул Г.А., Семёнов А.С. К вопросу о комплексной автоматизации открытых горных работ в алмазодобывающей промышленности // Естественные и технические науки. – 2016. – № 12 (102). – С. 265-268.

7. Москаленко В.В., Электрический привод: учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования. – 5-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2009.

8. Онищенко Г.Б. Электрический привод: учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2008.

9. Семёнов А.С., Бондарев В.А. Анализ показателей качества электрической энергии при работе асинхронного двигателя от преобразователя частоты // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 4-1. – С. 112-117.

10. Трофимов Ю.Ю., Егоров А.Н. Моделирование режимов работы систем электроснабжения горных предприятий // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – № 4-2. – С. 166-170.

11. Черенков Н.С., Кугушева Н.Н. Анализ работы синхронных машин / Молодежь и научно-технический прогресс в современном мире. Сборник докладов VI-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – М.: ООО «Издательство «Спутник+». – 2015. – С. 171-176.

Код для цитирования: Скопировать