Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Зависимости, характеризующие работу основных механизмов линии производства сахара 8
1.1. Описание технологического процесса и применяемых систем электропривода 8
1.2. Соотношения, характеризующие работу главных транспортеров ІЗ
1.3. Зависимости, характеризующие работу соновішшалки 47
1.4. Нестабильность нагрузки электроприводов основных механизмов и питающей сети ZS
Выводы по первой главе 34-
ГЛАВА 2. Сопоставление систем электропривода главных транспортеров и соковыжималок 36
2.1. Основные технические показатели электроприводов, применяемых в настоящее время
2.2. Основные технические показатели возможных для применения систем электропривода 48
2.3. Сравнение систем электропривода по основным техническим показателям 61
2.4. Сопоставление электроприводов по экономическим и массо-габаритным показателям 72
Выводы по второй главе 83
ГЛАВА 3. Исследование влияния нестабильности нагрузки и питающей сети на работу электроприводов 85
З.1. Взаимосвязь работы электроприводов основных механизмов 85
3.2. Влияние нестабильности нагрузки и питающей сети на работу базового электропривода 88
3.3. Влияние нестабильности нагрузки и питающей сети на работу АВК ЭЧ
3.4. Сопоставление базового электропривода и АВК по влиянию нестабильности нагрузки и питающей сети 99
Выводы по третьей главе ioc,
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования и разработка системы электропривода 108
4.1. Описание экспериментальной установки юв
4.2. Экспериментальное подтверждение основных зависимостей для асинхронного вентильного каскада 116
4.3. Разработка системы электропривода основных механизмов 125
4.4. Модернизация электроприводов основных механизмов 133
Выводы по четвертой главе 435
Заключение 137
Литература 139
Основные обозначения 142
- Соотношения, характеризующие работу главных транспортеров
- Сопоставление электроприводов по экономическим и массо-габаритным показателям
- Сопоставление базового электропривода и АВК по влиянию нестабильности нагрузки и питающей сети
- Экспериментальное подтверждение основных зависимостей для асинхронного вентильного каскада
Введение к работе
Сахарная промышленность, как отмечается в документах второго съезда Коммунистической партии Кубы, занимает ведущую роль в народном хозяйстве Республики Куба. В проекте директив по экономическому развитию Республики Куба на пятилетие с 1981 по 1985г.г, представленном на обсуждение съезда, намечалось повысить производство сахара на 20...25% по сравнению с предыдущим пятилетием. Дальнейшее развитие других областей промышленности Кубы зависит от выполнения этих планов, что объясняется большой зависимостью всех отраслей от внешней торговли, в которой экспорт сахара занимает главное место.
В 1981 г. стоимость сахара на мировом рынке составляла при-мерно 55% средней себестоимости, что обусловлено не только падением стоимости сахара на мировом рынке, но и относительно высокой производственной стоимостью из-за малоэффективное процесса производства. В этом существенное влияние оказывает нерациональное использование электроэнергии.
На Кубе установленные мощности основных механизмов линии переработки сахарного тростника, которыми являются транспортеры и соковыжималки, составляют примерно 13% от суммарной установленной мощности всех потребителей электроэнергии. Каждый из приблизительно 150 заводов по производству тростникового сахара имеет несколько таких линий.
Поэтому наряду со строительством новых заводов для достижения планируемого роста производства сахара, первостепенной задачей является реконструкция и модернизация этой отрасли промышлен-
— 5 —
ности с целью повышения ее экономичности и производительности.
Высокая производительность и экономичность линий переработки сахарного тростника может быть достигнута при обеспечении оптимального технологического процесса, который характеризуется максимальными скоростями электроприводов линии и равномерностью загрузки транспортеров и соковыжималок. Однако, реально существующая в производственных условиях неравномерность загрузки этих основных механизмов линии вызывает необходимость регулирования скоростей вращения их электроприводов.
Для регулирования скорости этих механизмов применяются различные электроприводы, некоторые из которых явно устарели. Это объясняется тем, что большинство производящих тростниковый сахар стран являются развивающимися и используют старое оборудование, а уровень их научно-исследовательских кадров еще недостаточен для изменения этого положения собственными силами.
Чтобы изменить указанное положение и модернизировать электроприводы основных механизмов линии переработки сахарного тростника, необходимо всестороннее рассмотрение этой проблемы. Это осложняется тем, что в технической литературе отсутствуют четко сформулированные требования к таким электроприводам и зависимости, характеризующие работу этих механизмов и пригодные для использования специалистами-электроприводчиками. Большинство известных для этих механизмов зависимостей являются эмпирическими и предназначены для специалистов-механиков.
В литературе отсутствуют рекомендации по выбору типа современного электропривода для основных механизмов линии переработки сахарного тростника и по модернизации существующих. Исключением является диссертационная работа Марио Морейры "Электропривод пе-
— G —
ременного тока транспортеров сахарных заводов", выполненная на кафедре автоматизированного электропривода МЭИ. Однако, вывод, сделанный в этой диссертации, о работе электропривода транспортера при постоянстве мощности представляется спорным. Кроме того, здесь полностью отсутствуют рекомендации по выбору электроприводов соковыжималок, число которых в одной линии переработки тростника достигает 6...7 и установленная мощность двигателей которых в несколько раз превышает таковую для транспортеров. Поэтому повышение экономичности необходимо прежде всего для электроприводов соковыжималок, сведений о режимах работы которых в литературе не имеется.
В соответствии с изложенным целями настоящей работы являлись.
Нахождение зависимостей для приводов основных механизмов, определение характера нагрузки и взаимосвязи их работы.
Технико-экономическое сопоставление применяемых и возможных для применения электроприводов этих механизмов.
Экспериментальное подтверждение основных известных и найденных зависимостей для выбранной системы привода.
Разработка наиболее выгодной по большинству технико-экономических показателей системы электропривода основных механизмов линии переработки сахарного тростника и рассмотрение возможности модернизации наиболее распространенных приводов этих механизмов на Кубе.
Рассмотрению известных соотношений и нахождению зависимостей для основных механизмов линии переработки сахарного тростника, а также определению характера и количественных оценок нагрузки для их приводов посвящен материал первой главы настоящей работы.
— 7 —
Определение и сопоставление технико-экономических показателей применяемых и возможных для применения систем электропривода этих механизмов для выбора наиболее выгодной из них по большинству основных показателей выполнено во второй главе.
В третьей главе работы рассмотрена взаимосвязь работы электроприводов основных механизмов линии переработки тростника и аналитически определяется важный с этой точки зрения показатель -нестабильность скорости вращения привода, вызываемая нестабильностью его нагрузки и питающей сети, для лучшего из пршленяемых сейчас электроприводов и рекомендованного в результате предыдущего сопоставления.
Четвертая глава работы посвящена экспериментальному подтверждению основных известных и найденных зависимостей для выбранного электропривода, разработке системы привода основных механизмов, а также рассмотрению варианта модернизации привода, нашедшего к настоящему времени наибольшее применение на Кубе.
- 8 —
Соотношения, характеризующие работу главных транспортеров
Мощность, потребляемую питающим транспортером, можно определить по зависимости, приведенной в литературе /1,7/, если учитывать только мощность, необходимую для преодоления трения, поскольку этот транспортер горизонтален, как
где Pnr - мощность, потребляемая питающим транспортером, кВт; QnT - вес тростника на питающем транспортере; Q n - вес верхней движущейся части питающего транспортера, равный весу его нижней движущейся части; И и Тн - коэффициенты трения верхней и нижней частей транспортера соответственно; Vm- - линейная скорость питающего транспортера; [п - КПД передачи транспортера. В расчетах для транспортеров принимаются значения: jg = 0,6; fH= 0,1; % = 0,67...0,71 /I/.
Для линии средней производительности, для которой С = 218Т/час Н = 13 м, LTP= 37 м, \/Трмах = 0,2 м/с, по (I.I6) найдем, что отр = 0,13.
Таким образом, мощность, потребляемая подъемным транспортером примерно постоянна при С = const . Этот вывод подтверждается исследованиями, выполненными ранее /7/.
Для питающего транспортера для той же производительности С можно получить которая аналогична (I.I4). Поэтому мощность, потребляемая питающим транспортером при С = const, также примерно постоянна.
Общие требования к электроприводам главных транспортеров, работающих в продолжительном режиме из условий технологического процесса, заключаются в следующем:
- высокая надежность работы;
- обеспечение минимально возможных потерь электроэнергии;
- регулирование скорости вращения двигателя в 2...3 раза для достижения равномерной загрузки соковыжималок;
- обеспечение регулирования с постоянством мощности при постоянной производительности линии.
Регулирование скорости транспортеров может осуществляться автоматически в зависимости от нагрузки двигателя или количества тростника на транспортере, т.е. высоты слоя тростника, доставляемого к концу транспортера. Регулирование скорости подъемного транспортера может выполняться также в зависимости от нагрузки двигателя резака.
1.3. Зависимости, характеризующие работу соковыжималки
Две соковыжималки и соединяющий их транспортер изображены на рис.1.2, а на рис.1.3 показаны три цилиндра I соковыжималки, один из трех скребков 2, предназначенных для очистки пазов цилиндров от выжимок, а также резак 3, который препятствует смешиванию выжимок с извлеченным соком. На рис.1.4 показаны система сцепления между цилиндрами I с помощью зубчатой передачи 4, редуктор 5 и двигатель 6 соковыжималки. Цилиндры выполняются массивными и приводятся во вращение со скоростью 3...7 об/мин. Транспортер соковыжшлалки приводится ее двигателем.
Сопоставление электроприводов по экономическим и массо-габаритным показателям
Для экономического сравнения систем электропривода необходимо оценить затраты, связанные с приобретением и эксплуатацией для каждого из приводов. Оценка же суммарных затрат 3 » связанных с применением данной системы привода в течение времени "t , может быть найдена по зависимости, аналогичной известной /24/:
где 5 и Д.р - затраты на приобретение двигателя и системы регулирования привода соответственно;
Зкк - затраты на компенсирующие конденсаторы при условии обеспечения Cos O, ); Зд и Зр - затраты в единицу времени на электроэнергию и рабочую силу при эксплуатации привода; Зм - затраты на материалы при эксплуатации; Зо - затраты от остановки механизма при отказе электропривода. Затраты на приобретение двигателя определяются отношением его цены Цо к номинальной мощности, т.е.
pHg ; (2.100) а затраты на приобретение системы регулирования обусловятся аналогичным отношением его цены Ucp к номинальной мощности двигателя: %?— -- - д (2.I0I) «н gl 1"нСр где (-цср - номинальная мощность системы регулирования; Кум - отношение установленной мощности системы регулирования к номинальной мощности двигателя. Выбранные для определения g двигатели и для нахождения J базовые преобразователи, а также их показатели, необходимые для сопоставления приводов, указаны в табл.2.12 и 2.13 соответственно.
При применении в качестве компенсирующих конденсаторов КС2--6,3-Ю0-2УЗ их удельная стоимость UKK= 2,15 руб/кВАр = 2,40 пе-со/кВАр, удельная масса 0,55 кг/кВАр и удельные габариты 0,0003 м3/ /кВАр /26/. Затраты Якк при условии обеспечения Cos O с учетом данных табл.2.8 определятся выражением:
Найденные для приводов значения gKK и массо-габаритные показатели, найденные по соотношениям, аналогичным (2.102), приведены в табл.2.14.
Затраты на электроэнергию в единицу времени можно найти по соотношению, аналогичному известному /27/:
Зр = Км К«р Ц эсрМ,э с j (2.103) где Км= 0,9 и К р= I - средние коэффициенты загрузки двигателей по мощности и по времени; Км= I - коэффициент одновременности работы двигателей; Кс= 1,05 - коэффициент, учитывающий потери энергии в сети завода; 1ЛЭ= 0,025 песо/кВт.ч - стоимость электроэнергии на Кубе.
Затраты в единицу времени на рабочую силу можно оценить, если принять во внимание, что одну линию переработки сахарного тростника обслуживают в среднем 4 оператора и один электрик при эксплуатации базовых электроприводов, т.е. АД. Если же применить АВК, ТІН-Д или МДП, когда нет необходимости согласовывать скорости приводов в результате переключений в роторных цепях АД, то для обслуживания линии достаточно 2 операторов и одного электрика. В среднем каждая из линий переработки тростника состоит из 6 соковыжималок, питающего и подъемного транспортеров, суммарная установленная мощность приводов которых согласно данных табл.1.1 составляет 1920 кВт. Тогда, если считать, что для обслуживания базовых приводов с АД привлекаются специалисты 1-ой ступени, для которой заработная плата в месяц у оператора составляет 150 песо и у электрика - 180 песо, а для обслуживания АВК, ТПЧ-Д или МДП - специалисты 2-ой ступени (у оператора -170 песо, у электрика - 200 песо в месяц), то при 24 рабочих днях в месяц, т.е. при 192 часах работы в месяц найдем, что для АД р = = 0,0021 песо/кВт.ч и для АВК, ТПЧ-Д или МДП Р = 0,0015 песо/кВт.ч Затраты на материалы при эксплуатации м и затраты от остановки механизма при отказе электропривода 0 могут быть оценены с уч& том вероятности отказа элемента привода (изделия), если принять во внимание (2.95) при интенсивности отказа изделия 2с? const , как
где 3UQ4.1 - затраты, вызванные заменой і -го изделия при его отказе; пр.І - затраты от простоя линии переработки при отказе d-ro изделия; Y\i - количество одинаковых изделий в приводе.
Сопоставление базового электропривода и АВК по влиянию нестабильности нагрузки и питающей сети
С целью сравнения АД, регулируемого резисторами в его роторных цепях, и АВК по влиянию нестабильности нагрузки и питающей сети построим зависимости отклонения скорости вращения А СО от Am при указанных выше максимальных значениях AU = AUm= 0,1 и Af = = Afm = 0,01. Дяя этого воспользуемся найденными соотношениями (3.18),(3.28),(3.39) и (3.45) при диапазонах регулирования Р = I и Ъ = 2, а также двух значениях момента сопротивления Yf\c = I
Механические характеристики приводов при диапазоне Р = I соответствуют самой высокой производительности, а при ДпаУ= - ±00 достигается наибольшая глубина регулирования скорости вращения и механические характеристики АД имеют наименьшую жесткость.
При моменте сопротивления ГПС= I достигается полное использование двигателя, а потому теоретически сопоставление приводов при этом моменте сопротивления является интересным. Момент сопротивления )71 с = 0,8 соответствует, как следует из данных табл.1.2, реальному режиму работы привода соковыжималки.
При построении указанных зависимостей учтем, что максимальное положительное отклонение скорости вращения +AG) имеет место при минимальном моменте сопротивления ГП=1ПС-Д)И и максимальном напряжении U=l+AT/ или максимальной частоте f=±+&f , а максимальное отрицательное отклонение скорости вращения - ДО) происходит при максимальном моменте сопротивления 1П = тс+ДШ и минимальном напряжении 17= І-ATJ или минимальной частоте f=i-Af .
Построенные с учетом вышеизложенного по (3.18),(3.28),(3.39) и (3.45) зависимости представлены на рис.3.5...3.12. Для удобства сопоставления систем электропривода зависимости, найденные при одинаковых условиях, приведены рядом.
Из рассмотрения зависимостей на рис.3.5 и 3.6, а также на рис.3.7 и 3.8 можно заключить, что при D = I привода обладают примерно одинаковой нестабильностью скорости вращения как при изменении напряжения, так и при изменении частоты питающей сети. Этот вывод, конечно, ожидаем, поскольку механические характеристики тлеют приглерно одинаковые жесткости и влияния нестабильности питающей сети также примерно одинаково.
Разумеется, ожидаем и результат сопоставления зависимостей на рис.3.9 и ЗЛО, а также на рис.3.II и 3.12, откуда следует, что при D = 2 значительно большая нестабильность присуща АД, так как жесткость его механических характеристик при этом существенно меньше, чем жесткость характеристик АВК. Однако, найденные соотношения позволяют сопоставить количественные показатели нестабильности скорости вращения и получить относительные оценки.
Так например, наибольшее значение ACJ(U) при D = 2, Yf\c= 0,8 и ДІП = 0,3 для АД в 3,8 раза превышает соответствующее наибольшее значение AG) (17) для АВК. При тех же условиях AG)(f) для АД превышает соответствующее наибольшее значение АС0(Д для АВК в 3,6 раза.
Сопоставление величин А СО (17) с величинами АСО( ) для одинаковых условий позволяет сделать вывод, что при D = I влияние отклонения напряжения AU = 0,1 примерно одинаково с влиянием отклонения частоты Af = 0,01, а при D = 2 большее влияние оказывает изменение напряжения питающей сети.
Экспериментальное подтверждение основных зависимостей для асинхронного вентильного каскада
Так как для пуска двух приводов предлагается использовать один блок резисторов ЕР, в схеме предусмотрена соответствующая блокировка. Кроме того, предусмотрены блокировки для предотвращения одновременного подключения рабочего и запасного блоков на один электропривод, а также для предотвращения подключения запасного блока ЗБ сразу к двум приводам.
Пуск двигателя МП начинается при нажатии кнопки SBI2, в результате срабатывания контактора КМП, о чем сигнализирует лампа ELII. Благодаря механической блокироке, осуществляемой SBI2, при этом невозможно запустить M2I. С помощью реле времени КТП задается время разгона двигателя вхолостую, т.е. время замкнутого состояния контактов KMI2 и разомкнутого состояния контактов KMI3 и КМТ4, так как при пуске катушка реле К VII находится под напря - 429 жением. После запуска контакт реле времени KTII размыкается и обесточивает катушку реле КVII, а потому отключается катушка контактора KMI2 и подключаются катушки контакторов KMI3 и KMI4, если переключатель АН установлен в положение "I", при котором должен подключаться РБІ.
Для подключения ЗБ вместо РБІ переключатель SAII устанавливается в положение "2". При этом по окончании пуска двигателя вместо катушек контакторов KMI3 и KMI4 подключаются катушки контакторов KMI5 и KMI6, а также размыкается контакт KMI5 в цепи катушек КМ25 и КМ26, чтобы исключить подключение ЗБ вместо РБ2.
Пуск двигателя M2I возможен после окончания пуска MI2 и производится аналогично. Рабочий блок РБ2 подключается после окончания пуска вместо ЕР при положении "I" переключателя SA2I. О работе этого двигателя сигнализирует лампа EL2I. для обеспечения согласованной работы приводов основных механизмов в соответствии с (3.2) и (3.4) предназначена схема, представленная на рис.4.12. Напряжение U , задающее производительность всей линии переработки тростника и снимаемое с потенциометра RP6, пропорционально стабилизированному напряжению питания и подается на инвертирующий вход DA5 для усиления. На неинвер-тирующий вход усилителя DA5 подается напряжение Uc , которое снимается с потенциометра RP7 и пропорционально напряжению сети, чтобы отчасти компенсировать нестабильность этого напряжения. Резисторы R23 и R24 предназначены для ограничения с двух сторон значений задающего напряжения Ц , а резистор R25 служит для ограничения величины Uc .
Напряжения, задающие скорости вращения приводов питающего транспортера U nT , подъемного транспортера Ц,тр , первой соко выжималки J-лс-Іі и Т«Д«» снимаются с потенциометров RP8, RP9, RPIO, RPII и т.д. Они служат для наладки взаимосвязи работы приводов основных механизмов в соответствии с (3.2) и (3.4). Резисторы R29... R36 и т.д. предназначены для ограничения пределов изменения этих напряжений.
Асинхронный двигатель для АВК выбирается в соответствии с известными положениями /19/: мощность двигателя для продолжительного режима работы в схеме АВК уменьшается примерно на 7%, перегрузочная способность уменьшается на 17%, а минимальное скольжение увеличивается примерно в 2 раза. Для приводов основных механизмов линии переработки тростника, выполненных по схеме АВК; можно не учитывать при 2) 2 уменьшение длительно допустимых токовых нагрузок для двигателей с самовентиляцией.
