Підвищення енергоефективності асинхронного двигуна електроприводу ескалатора метро

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»

Туровський Віталій Іванович

УДК 621.876.32

Підвищення енергоефективності асинхронного двигуна електроприводу ескалатора метро

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня магістра технічних наук

Київ-2017



Робота виконана у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України на кафедрі Електромеханічного обладнання геотехнічних виробництв

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Мазуренко Леонід Іванович, Національний технічний університет України «Київський Політехнічний Інститут»

Захист відбудеться 20 червня 2017 р. о 1400годині на засіданні спеціалізованої вченої ради у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" (03056, Київ-56, вул. Борщагівська,115, ауд.206 корпусу 22).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України "Київського політехнічного інституту" (03056, Київ-56, пр. Перемоги,37)



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У вирішенні найважливішої для України проблеми енергоресурсозбереження електропривод (ЕП) відіграє особливо важливу роль, оскільки споживає більше 70 % усієї електроенергії, що виробляється.

Пріоритетним напрямом економії електроенергії засобами ЕП є широка модернізація електропривода заміною нерегульованого ЕП на регульований, про що свідчить досвід промислово розвинених країн. Більшість наявних електроприводів ескалаторних установок, що знаходяться в експлуатації метрополітенів України, вже відпрацювали свій ресурс і вимагають модернізації. Електропривод ескалаторів метрополітену споживає приблизно половину потужності, яка підводиться до шин напруги 380 В, тому створення енергозберігаючих електроприводів є актуальним завданням.

Економія однієї одиниці електроенергії за наявного стану обладнання ТЕС в енергетичному еквіваленті економить п'ять одиниць енергоресурсів, а ЕП, як засіб автоматизації технологічних процесів, характеризується властивістю синергетичного множення економії енергоресурсів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибір науково-технічної задачі було здійснено на основі наступних нормативно-правових актів:

закону України- “ Про енергозбереження” (від 9квітня2015 р.);

- пріоритетному напряму розвитку науки і техніки Міносвіти і науки України “Новітні технології, ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі” (від16 жовтня 2012 р.).

Мета дослідження - підвищення енергоефективності, шляхом створення системи керування плавного пуску, розгону та стаціонарної роботи в постійному режимі електроприводу ескалаторної установки метрополітену.

Задачі дослідження:

Аналіз існуючих методів моделювання асинхронних двигунів для дослідження їх параметрів роботи.

Розробити імітаційну модель асинхронного електропривода з тиристорним регулятором напруги; дослідити характер зміни струмів, споживаної енергії та частоти обертання в двигуні.

Встановити енергоефективні способи керування асинхронним двигуном, які дозволять регулювати споживання електроенергії в залежності від зміни навантаження на полотні ескалатора.

Об'єкт дослідження - процеси перетворення енергії в асинхронних двигунах електроприводу ескалатора метро.

Предмет дослідження - характеристики асинхронних двигунів електроприводу в умовах збурюючих впливів.

Методи дослідження моделювання процесу роботи ескалатора метро , статистичний аналіз даних, експериментальні дослідження на ЕОМ, комп'ютерне моделювання засобами програм MATLAB, MathCAD.

Наукова новизна одержаних результатів:

Розроблено імітаційну модель для аналізу характеру зміни споживаної електроенергії приводу за системою ТРН - АД.

Визначено межі мінімальної напруги і кута керування тиристорним регулятором зі зміною навантаження.

Практичне значення одержаних результатів:

На основі отриманих електромеханічних залежностей розроблено рекомендації для застосування тиристорних регуляторів напруг як системи керування для асинхронного електроприводу ескалаторів.

Розроблені рекомендації для регулювання електроприводу ескалаторів у визначеному діапазоні в залежності від навантаження,тобто пасажиропотоку.

Публікації:

Мазуренко Л. І., Туровський В. І. «Шляхи вирішення проблематики використання ескалаторних установок» //Тези доповідей 9 міжнародної наукової конференції: Енергетика. Людина. Екологія,25.05.2017р

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі зазначено найважливішу проблему для України енергоресурсозбереження, де електропривод (ЕП) відіграє особливо важливу роль, оскільки споживає більше 70 % усієї електроенергії, що виробляється.

У першому розділі«Електропривод ескалаторів. Аналіз схем технічних рішень» було розглянуто основні конструктивні особливості ескалаторів та їх приводу;лідери світового та вітчизняного ескалаторобудування.

Ескалатор - підйомник неперервної дії з рухомими сходинками Ескалатори представляють собою транспортувальні конвеєрні установки з ланцюговим тяговим органом.

Залежно від місця встановлення і величини пасажиропотоку розрізняють ескалатори:

Рисунок 1 - Схема ескалатора: а) тунельний; б) міжповерховий; 1 - сходове полотно; 2 - тягові ланцюги; 3 - поручневий пристрій; 4, 5 - приводи поручнів, сходового полотна; 6 - напрямні ходових катків ступенів

У загальному випадку привід складається з головного електродвигуна 1, з'єднаного пружною муфтою 2 з передавальним механізмом (редуктор) 10, що передає обертання від двигуна на головний вал 4 ескалатори. На вал насаджені тягові зірочки 5.

Строго говорячи, головний вал ставиться до траси сходового полотна, але в той же час у більшості ескалаторів він є вихідним валом передавального механізму, тому його зручніше розглядати як елемент приводу.

Рисунок 2 - Принципова схема приводу (без апаратури керування) головний двигун, 2 - муфта; 3 - робоче гальмо; 4 - головний вал; 5 - тягова зірочка, 6 - редуктор системи, що стежить; 7 - датчик; 8 - аварійне гальмо; 9 - механізм включення аварійного гальма; 10 - редуктор головного приводу

Покращити енергетичні показники недовантаженого асинхронного двигуна можна за рахунок зниження напруги живлення, що забезпечує зменшення намагнічуючого струму, втрат в міді і сталі. Регулювання напруги статора може бути забезпечене напівпровідниковим перетворювачем. З врахуванням специфіки економічного стану метрополітену в Україні в теперішній період при модернізації ескалаторів метрополітену доцільно використовувати електропривод, побудований за системою тиристорний перетворювач напруги - асинхронний двигун (ТРН-АД).

Рисунок 3 - Схема привода ТРН-АД

У другому розділі «Математичне моделювання та створення імітаційної моделі ескалатора» наведено тяговий розрахунок ескалатора та представлено опис імітаційної моделі привода.

При виконанні проектування та розрахунку ескалаторів згідно із зазначеною послідовністю, обов'язковим є дотримання норм та стандартів проектування та експлуатації ескалаторів.

Проектування, конструювання та експлуатація ескалаторів регламентується наступними вітчизняними та зарубіжними нормами та стандартами:

EUROPEAN STANDARD ЕN 115-1 2013 (ДСТУ EN 115:2003);

A17.1;

ПБ 10-77-94;

ГОСТ 25.504-82;

ГОСТ Р 54765 - 2011.

Тяговий розрахунок ескалатора виконують так само, як і тяговий розрахунок конвеєра.

Тяговий розрахунок включає визначення опору на окремих ділянках, натяг гнучкого органу в характерних точках траси і розрахунок тягового зусилля.Його результати представляють статичну картину процесів, що відбуваються в машині під час її функціонування.

Тяговий розрахунок для ескалатора зазвичай виконується для випадків:

руху на підіймання з та без навантаження;

руху на опускання з та без навантаження.

Вибір приводного двигуна виконується після розрахунку навантаження полотна(від власної ваги) та пасажиропотоку.

Рисунок 4 - Схема траси сходового полотна з приводом в головній частині.

Методом обходу контуру ескалатора в напрямку руху сходового потоку визначаємо натяги у точках:

(1)

(2)

де k =1,05...1,1 -- коефіцієнт збільшення натягу ланцюга при обході зірочки (беремо k =1,08);

(3)

Далі обходимо контур проти руху сходового полотна:

(4)

(5)

Таблиця 1 - Результати розрахунків сили натягу ланцюгів

S4,Н	S5,Н	S6,Н	S8,Н	S9,Н	S10 ,Н	S11 ,Н	S12, Н	S2, Н	S1, Н	S14, Н	S13, Н	S7, Н
2103	2271	2342	5290	162564	16939	169479	169539	2973	54544	55334	55237	2430

Розрахункова потужність, необхідна для приведення в рух сходового полотна

(6)

У третьому розділі «Дослідження імітаційної моделі ТРН-АД» проведено дослідження електромеханічних процесів приводу асинхронного двигуна 4АНК 315 М8.

Характерною особливістю роботи ескалаторної установки метрополітену є істотна зміна пасажиропотоку протягом дня.

Ідея даної роботи полягає в тому,що протягом значної частини часу електродвигун працює із значним недовантаженням(малим пасажиропотоком), тобто з пониженим ККД, істотно споживаючи реактивну потужність. Покращити енергетичні показники недовантаженого асинхронного двигуна можна за рахунок зниження напруги живлення, що забезпечує зменшення намагнічуючого струму, втрат в міді і сталі.

Для дослідження даного питання було створено імітаційну модель за допомогою стандартних блоків представлених в програмному забезпеченні Matlab оболонці Simulink з використанням бібліотеки SimPowerSystems, зображення якої наведено на (рис.5)

Рисунок 5 - Імітаційна модель приводу ТРН-АД

У кожну фазу трифазного ТРН включаються два тиристора за зустрічно-паралельною схемою, яка забезпечує протікання струму в навантаженні в обидва напівперіоди напруги мережі U1. Тиристори отримують імпульси керування Ua від системи імпульсно фазового керування (СІФК), яка забезпечує їх зрушення на кут управління б в функції зовнішнього сигналу Uy, що выдображено на (рис.6).



Рисунок 6 - Зображення регульованої напруги на виході ТРН

Зменшення пасажиропотоку, в даній моделі, досягається зменшенням навантаження на валу двигуна і задається дискретно.

Рисунок 7 - Зображення регульованої напруги на вході та виході з ТРН при куті регулювання б=15

Осцилограма струму в статорі наведено нижче на (рис.8).



Рисунок 8- Зображення струму в статорі при навантаженні на валу М=0,8Мн та куту регулювання б=15

Осцилограма та числовий ряд значень споживаної енергії двигуном наведено нижче на (рис.9) та (табл2) відповідно.

Рисунок 9 - Графік споживання енергії двигуном при куті регулювання б=15



Таблиця 2 - Значення споживаної енергії при навантаженні на валу М=0,8Мн та куту регулювання б=15

t,с	Е,Дж	t,с	Е,Дж	t,с	Е,Дж	t,с	Е,Дж
0,125556	146,0669	1,379962	7548,883	2,464053	67064,4	3,241732	104890
0,24364	301,5988	1,519272	10780,1	2,540943	70807,45	3,320023	108505,5
0,357277	474,8909	1,658354	15436,77	2,615636	74658,08	3,395145	112498,9
0,47714	733,9808	1,79017	22729,42	2,697434	78614,41	3,475619	116572,4
0,595307	955,1478	1,917837	37018,27	2,777322	82616,78	3,551669	120426,5
0,711763	1320,623	2,054296	50176,58	2,854234	86633,52	3,632673	123958,6
0,830362	1912,61	2,154238	52042,15	2,929578	90137,89	3,712165	128102,8
0,957845	2610,446	2,222986	55984,25	3,00925	93809,49	3,789391	131829,2
1,098496	3699,397	2,306773	59791,61	3,089	97338,48	3,866678	135390,9
1,239724	5288,397	2,384491	63405,33	3,165454	101358,4	3,948036	139484

Графік розгону двигуна для заданих параметрів моделі наведено на (рис10)

Рисунок 10 - Розгін двигуна при навантаженні на валу М=0,8Мн та куту регулювання б=15

Для порівняння доцільності ТРН наведено осцилограму та числовий ряд споживаної енергії нерегульованого двигуна в (таб.3) та (рис.11) відповідно

Таблиця 3 - Споживання енергія двигуна під час роботи

t,с	Е,Дж	t,с	Е,Дж	t,с	Е,Дж	t,с	Е,Дж
0,125556	158,6377	1,379962	5093,205	2,464053	67877,05	3,241732	111338,4
0,24364	298,5942	1,519272	7165,518	2,540943	72199,22	3,320023	115737,5
0,357277	428,4362	1,658354	10157,3	2,615636	76378,93	3,395145	119944,5
0,47714	634,7004	1,79017	14302,03	2,697434	80953,11	3,475619	124437,3
0,595307	900,9182	1,917837	20446,46	2,777322	85402,2	3,551669	128697,7
0,711763	1164,64	2,054296	32512,05	2,854234	89710,99	3,632673	133196,8
0,830362	1482,217	2,154238	50683,02	2,929578	93912,3	3,712165	137623,4
0,957845	1956,392	2,222986	53771,5	3,00925	98348,89	3,789391	141941,3
1,098496	2655,804	2,306773	59164,25	3,089	102811,7	3,866678	146294,6
1,239724	3670,011	2,384491	63535,33	3,165454	107129,9	3,948036	150814,9

Рисунок 11 - Графік споживання енергії двигуном(без регулювання)

У четвертому розділі «Статистичне моделювання» викладено моделювання випадкових величин коефіцієнта потужності (cos ц) -- безрозмірна фізична величина, що характеризує споживача змінного електричного струму з точки зору наявності в навантаженні реактивної складової. Коефіцієнт потужності показує, наскільки зсувається по фазі змінний струм, що протікає через навантаження, щодо прикладеного до нього напруги. Коефіцієнт потужності з експериментальних досліджень обираємо в межах 0,6-0,9.

При вирішенні практичних завдань, пов'язаних з випадковими величинами, часто виявляється необхідним обчислювати ймовірність того, що випадкова величина прийме значення, що вкладається в деяких межах, наприклад від до . Ця ймовірність часто виражається через щільність розподілу. Очевидно, що вона дорівнює сумі елементів імовірності на всій цій ділянці, тобто інтегралу:

. (7)

Геометрично ймовірність влучення величини Х на ділянку (,) дорівнює площі кривої розподілу, що опирається на цю ділянку.

Обчислимо для нормально розподіленої товщини ймовірність попадання в інтервалі від =0,037 до =0,064

(8)

Для показникового розподілу коефіцієнт потужності cos ц:

Математичне сподівання:

(9)

Дисперсія:

(10)



Середнє квадратичне відхилення:

(11)

У п'ятому розділі «Розроблення стартап-проекту. Порівняльна характеристика та техніко-економічні показники приводу ТРН-АД» проведено маркетинговий та фінансово-економічний аналіз стартап-проекту.

При вивченні ринку попиту і пропозиції АЕП для АД було встановлено, що як в Україні, так і за кордоном на сьогодні використовуються два типи силових асинхронних перетворювачів - це перетворювач частоти (ПЧ) і ТРН.

Раніше застосування даних типів силових перетворювачів для АЕП було обмежено потужністю напівпровідникових вентилів. На даний момент випускаються ПЧ і ТРН від декількох кіловат до мегават.

Найпоширенішими виробниками ТРН є зарубіжні компанії: Schneider Electric, Siemens, Danfoss, ABB, Hitachi, Toshiba, Analog Devices.

Для порівняння ринкової вартості ПЧ і ТРН візьмемо двох великих виробників електроприводів ABB і Siemens (рис. 12).До 10 кВт вартість ПЧ і ТРН лежить приблизно в одному і тому ж ціновому діапазоні, але з подальшим збільшенням потужності електроприводу різниця в ціні починає збільшуватися як для Siemens, так і для ABB.

Рисунок 12 - Криві вартості перетворювача частоти і тиристорного регулятора напруги від потужності: а) Siemens, б) ABB; 1 - ПЧ, 2 - ТРН



Отже, при впровадженні регульованого асинхронного електроприводу найбільш вигідно використовувати ТРН, для потужних електродвигунів.



ВИСНОВКИ

1.Бігунки східців на ввігнутих криволінійних ділянках не відриваються від напрямних так як виконується умова,сила S натягу ланцюгів на вході на криволінійну ділянку не повинна перевищувати

на ділянці 2-3

на ділянці 7-8 (ненавантаженій)

2. Опір пересуванню сходового полотна становить W = 116550 Н.

3. Загальна розрахункова потужність приводу ескалатора Руст =118,91 кВт, відповідно був обраний асинхронний двигун з фазним ротором типу 4АНК-315М8, потужність якого Pн =132 кВт.

4. Засобами програмного забезпечення MATLAB в оболонці Simulink було створено імітаційну модель ТРН-АД.

5.За результатами досліджень імітаційної моделі підтверджено необхідність визначення меж регулювання ТРН в залежності від навантаження на валу двигуна

Встановлено,що при навантаженні М=0,8Мн діапазон регулювання складає 0<ц<30, в той час як для М=0,6Мн 0<ц<43



АНОТАЦІЯ

Дисертація на здобуття наукового ступеня магістра за спеціальністю 8.05070205 - електромеханічні системи геотехнічних виробництв. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського» МОНМС України. - Київ, 2017.

Дисертацію виконано для підвищення енергоефективності, шляхом створення системи керування плавного пуску, розгону та стаціонарної роботи в постійному режимі електроприводу ескалаторної установки метрополітену.

Розроблено імітаційну модель регульованого електроприводу за системою тиристорний регулятор напруги - асинхронний двигун.

Досліджено електромеханічні та енергетичні характеристики електроприводу ескалатора. Розроблено рекомендації щодо шляхів регулювання споживаної напруги двигуна за допомогою керування тиристорним регулятором. Визначено межі мінімальної напруги та кута регулювання зі зміною навантаження.

Встановлено характер змінних струмів,споживаної потужності та частоти обертання асинхронного двигуна.

Ключові слова: ескалатор, електропривод, тиристорний регулятор напруги, асинхронний двигун, струм, частота обертання, кут регулювання, система імпульсно фазового керування, спожита електроенергія.



АННОТАЦИЯ

електропривод двигун напруга

Диссертация на соискание ученой степени магистра по специальности 8.05070205 - электромеханические системы геотехнических производств. - Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт им. Игоря Сикорского» МОНМС Украины. - Киев, 2017.

Диссертация выполнена для повышения энергоэффективности путем создания системы управления плавного пуска, разгона и стационарной работы в постоянном режиме электропривода эскалаторной установки метрополитена.

Разработана имитационная модель регулируемого электропривода по системе тиристорный регулятор напряжения - асинхронный двигатель.

Исследованы электромеханические и энергетические характеристики электропривода эскалатора. Разработаны рекомендации относительно путей регулирования потребляемой напряжения двигателя с помощью управления тиристорным регулятором. Определены границы минимального напряжения и угла регулирования с изменением нагрузки.

Установлен характер переменных токов, потребляемой мощности и частоты вращения асинхронного двигателя.

Ключевые слова: эскалатор, электропривод, тиристорный регулятор напряжения, асинхронный двигатель, ток, частота вращения, угол регулирования, система импульсно фазового управления, потребленная электроэнергия.



ABSTRACT

Thesis for a master's degree in the specialty 8.05070205 - electromechanical systems geotechnical industries. - National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute. Igor Sikorsky "MESYS Ukraine. - Kyiv, 2017.

The thesis is done to improve energy efficiency through the creation of control system smooth start, acceleration and stationary operation in continuous operation of the electric subway escalator installation

Simulation model developed electric drive system for thyristor voltage regulator - induction motor.

Studied electromechanical and power characteristics of the electric escalator. Recommendations for consumption by regulating voltage motor control using thyristor regulator. The threshold voltage and the minimum angle adjustment with changing load.

The character alternating current power consumption and the rotational speed induction motor.

Keywords: escalator, power, thyristor voltage regulator, induction motor, voltage, current, speed, angle adjustment system pulse phase control electricity consumed.

Размещено на Allbest.ru

...