CC BY
29
-□ □-
Для обгрунтування доцiльностi засто-сування конкретного електроприво-ду розроблено автоматизовану систему для порiвняння кранових електроприводiв з урахуванням стввидношення статич-них I динамiчних режимiв, навантажен-ня i моментiв терцп, а також вгдносного часу роботи зi зниженими швидкостями. Проведено порiвняння втрат електрое-нерги за певне число циклiв
Ключовi слова: електропривод, САБ-система технiко-економiчного порiвнян-ня, резисторне керування, перетворювач
напруги, перетворювач частоти
□-□
Для обоснования целесообразности применения конкретного электропривода разработана автоматизированная система для технико-экономического сопоставления крановых электроприводов с учетом соотношения статических и динамических режимов, нагрузки, моментов инерции, а также относительного времени работы на пониженной скорости. Проведено сравнение потерь электроэнергии за определенное число циклов
Ключевые слова: электропривод, САБ-система технико-экономического сравнения, резисторное управление, преобразователь напряжения, преобразователь частоты
-□ □-
УДК 62-86.621
|DOI: 10.15587/1729-4061.2016.66784]
АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА ПОР1ВНЯННЯ ТЕХЖКО-ЕКОНОМ1ЧНО1 ЕФЕКТИВНОСТ1 ЕЛЕКТРОПРИВОД1В КРАНОВИХ МЕХАН1ЗМ1В
B. В. Бушер
Доктор техшчних наук, професор* E-mail: [email protected]
C. П . С а в и ч Кандидат техшчних наук, доцент**
E-mail: [email protected] С. Л . С а в и ч Кандидат техшчних наук, доцент*** E-mail: [email protected] В. С. Медведев**** E-mail: [email protected] *Кафедра електромехашчних систем з комп'ютерним управлшням***** **Кафедра електропостачання i енергоменеджменту***** ***Кафедра технологи неоргашчних речовин i екологп***** ****Кафедра електропостачання i енергоменеджменту***** *****Одеський нацюнальний пол^ехшчний ушверситет пр. Шевченка, 1, м. Одеса, УкраТна, 65044
1. Вступ
Експлуатацшна якiсть роботи кранових мехашз-мiв, 1х продуктивнiсть, а також проблема енергозбе-реження в значнш мiрi залежить вiд електропривода.
Основним типом регульованого приводу е частотно-регульований асинхронний електропривод - система «перетворювач частоти - асинхронний двигун» (ПЧ-АД). Однак поряд з цим електроприводом в деяких випадках для виршення окремих виробничiх завдань застосовуеться система «перетворювач напруги -асинхронний двигун» (ПН-АД). В експлуатацп також знаходяться електроприводи на основi асинхронних двигушв з фазовим ротором, регульоват за допомогою змши додаткових опорiв в роторних ланцюгах, система реостатного регулювання - «реостатне регулювання -асинхронний двигун». До складу кранових механiзмiв таких електроприводiв входить особливо багато. Для юльюсшл ощнки виграшу в енергоспоживаннi при замт, наприклад, електроприводу з фазним ротором системой ПЧ-АД необхщно розглянути економiчну ефективнiсть використання всiх систем регульованих асинхронних приводiв. Широке застосування регульованих електроприводiв привело до того, що сучас-ний електропривiд е енергосиловою основою, яка доз-
;с B. В. Вушер. С. П. СамЧч. С. Л. СавЧч. В. С. В]ваввдев.
воляе забезпечити виробничi механiзми необхiдною механiчною енергiею. Промисловий електропривод споживае за рiзними ощнками 60-70 % вiд yciei ви-роблено! електроенергп. У зв'язку з зростанням щн на електроенергiю та обмеженними можливостями зб^ьшення потyжностi енергогенеруючих установок проблема зниження електроспоживання е актуальною задачею.
2. Аналiз лiтературних даних i постановка проблеми
Один iз шляхiв енергозбереження - це вибiр бiльш досконало! з енергетично! точки зору системи електроприводу [1]. Втрати енергп в перехщних режимах зменшуються при застосуваннi частотно-регульова-них електроприводiв замiсть реостатного регулюван-ня та систем ПН-АД. Завданням проектувальника е грамотний i всебiчно обгрунтований вибiр конкретного технiчного ршення.
Частотний перетворювач в комплектi з асин-хронним електродвигуном дозволяе повшстю замь нити електропривод постiйного струму. Основний недолж асинхронних електродвигунiв - складшсть регулювання !х швидкостi традицшними методами
(введенням додаткових опорiв в ланцюги обмоток, змшою напруги живлення). При живленш вiд мережi зi стабiльною частотою двигун мае сталу швидюсть, близьку до синхронно!, яка внаслiдок високо! жор-сткостi механiчноi характеристики мало залежить вщ моменту навантаження.
Принцип частотного методу регулювання швид-костi асинхронного двигуна полягае в тому, що, змь нюючи частоту живлячо! напруги, можна при незмш-ному числi пар полюав регулювати кутову швидкiсть магштного поля статора, а тому i швидкiсть ротора. Завдяки цьому мехашчш характеристики мають ви-соку жорстюсть в широкому дiапазонi швидкостi [2]. Регулювання швидкостi при цьому не супроводжу-еться збiльшенням ковзання асинхронного двигуна, тому втрати потужност при регулюванш незначнi. Для отримання високих енергетичних показниюв асинхронного двигуна - коефвденпв потужностi, ко-рисно! дп, перевантажувально! здатностi - необхiдно одночасно з частотою змiнювати i амплггуду напруги. Закон змiни напруги залежить ввд характеру моменту навантаження.
Регулювання частоти обертання виконавчих меха-нiзмiв можна здшснювати за допомогою рiзних при-стро!в, але зараз використовуються виключно статичнi перетворювачi частоти. Останнi е найбшьш доскона-лими пристроями управлшня асинхронним приводом у даний час. Ще недавно розвиток частотно-регульо-ваного електропривода стримувався високою вартк-тю перетворювачiв частоти. Але пiсля виробництва силових схем з ЮВТ-транзисторами розробка висо-копродуктивних мiкропроцесорних систем керування дозволило рiзним фiрмам бвропи, США, Японп та Ро-сп створити сучасш перетворювачi частоти доступно! вартосп [3].
Бiльшiсть сучасних перетворювачiв частоти побу-довано за схемою подвшного перетворення [4].
Технологiчнi вимоги до електроприводiв мехашз-мiв пiдйомних крашв вимагають реалiзацii гальмiв-них режимiв роботи електропривода [5].
Це вщноситься i до регульованих електроприводiв змшного струму за системою ПЧ-АД. Сучасш пе-ретворювачi частоти побудованi на основi застосу-вання силових IGBT-транзисторiв з використанням для управлiння мжропроцесорних програмованих пристро!в, пропонують для виконання цього режиму кiлька можливих варiантiв. Так, можливо використо-вувати резистивне гальмування, тобто гальмування з розиюванням генеровано! енергп в двигунi та в додат-ковому гальмiвному резисторi. Однак з техшко-еконо-мiчних мiркувань бажано використовувати рекупера-тивне гальмування, тобто гальмування з поверненням енергп в живильну мережу [6]. З такою структурою створюються електроприводи в дiапазонi потужнос-тей 1-500 кВт. Це пояснюеться тим, що система з неке-рованим випрямлячем не споживае реактивно! потуж-носп, а вишд гармонiчнi струму не перевищують 30 % вщ першо! гармонiчноi. Тому втрати потужност в АД збiльшуються в середньому лише на 5-8 % порiвняно з живленням ввд iдеальноi синусо!дально! мережi. Тому загальний ККД перетворювача частоти в цьому разi досягае 95-97 % [2].
Рекуперативне гальмування виявляеться особливо випдним при значнш потужностi електроприво-
да [6]. При цьому реалiзацiя рекуперативного гальму-вання АД вимагае додаткових каттальних витрат, але при цьому зменшуються рiчнi експлуатацiйнi витрати за рахунок повернення частини енергп гальмуван-ня; необхiднiсть такого додаткового рекуператора в кожному конкретному випадку визначаеться техш-ко-економiчним розрахунком. Тому рекуперативне гальмування дощльно застосувати для тих кранових електроприводiв, якi працюють здебшьшого в перехщ-них режимах (мехашзми повороту), або для тих меха-нiзмiв пiдйому, якi часто спускають вантаж, близький до номiнального.
Режим рекуперативного гальмування електропривода з вщдачею енергп в живильну мережу реалiзуеть-ся перетворювачами частоти серш ACS611, ACS617 i АС800-17 фiрми АВВ чи аналогiчними перетворювачами частоти серп SINAMICS або SIMOVERT MASTER DRIVERS VC (в^зок серп AFE) фiрми SIMENS. Цi перетворювачi мають у своему складi два трифазних шестипульсних моста на IGBT-транзисторах i вщпо-вiднi фiльтри, що забезпечуе надшну рекуперацiю енергii асинхронного електродвигуна в мережу.
Незважаючи на все ще значну варпсть сучасних пе-ретворювачiв частоти, можна очжувати в рядi випадкiв досить швидку окупнiсть вкладених коштiв за рахунок економп енергоресурсiв та iнших складових ефектив-ностi [7, 8]. Використання цього обладнання - випдний об'ект для швестування коштiв пiдприемства [9].
Бшьшкть кранових механiзмiв (зокрема, мехашзми тдйому) обладнано асинхронними двигунами з фазним ротором. Процес пуску здшснюеться за характеристиками реостатного управлшня, коли з ротора дискретно виводяться ступеш опору. У багатьох випадках гальмування крана здшснюеться за раху-нок використання режиму противовключения дви-гуна [10]. Част перемикання з рухового в гальмiвнiй режим при пiдходi до заданоi точки зупину мехашзму перемщення крана призводять до виникнення мак-симальних ударних моменпв двигуна, прискореного виходу його з ладу може скоротити термш безаварш-ноi роботи.
Режим зниженоi швидкостi забезпечуеться введенням в ротор опорiв, що связано зi зростанням ковзання двигуна i збiльшенням електричних втрат [11].
Системи ПН-АД, забезпечуючи плавний пуск асин-хронних двигушв (системи Soft-Start), можуть засто-совуватися i для зниження енергоспоживання при робот недовантажених двигуна в зош номiнальноi швидкостi. У цьому випадку за рахунок збшьшення кута ввдкриття вентилiв, що входять в ПН, знижуеться перша гармошка напруги i асинхронний двигун при заданому момент статичного навантаження працюе на регулювально'! характеристики при швидкостi дещо меншою, нiж на природнiй характеристицi. Такий режим призводить до зменшення сумарних втрат в АД i споживаноi активноi потужностi [12, 13].
Дослщження зниження споживання електроенер-гii проведено в роботах [14-16]. Але при проведенш цiх дослвдженнь не враховуваються особливостi тех-нолопчного процесу кранових механiзмiв, режими !х роботи [17, 18]. Для обгрунтування доцiльностi засто-сування конкретного електропривода для кранових механiзмiв бажано розробити автоматизовану систему для порiвняння кранових електроприводiв з урахуван-
ням сп1вв1дношення статичних i динам1чних режим1в, навантаження i моментв шерцп, а також вщносного часу роботи 3i зниженими швидкостями [19]. Проблема полягае у вiдсутностi конкретних рекомендацш щодо використання альтернативних електроприводiв для крашв. Актуальним завданням е визначення до-щльност використання того чи шшого електропривода для крашв за показниками економiчноï ефектив-ност [2]. Таким чином, розглядаючи в« можливостi конкретного альтернативного електропривода, його переваги i недолiки ввдносно iнших електроприводiв при роботi кранових механiзмiв в заданих умовах експлуатацп, слiд довести необхiднiсть або небажашсть його використання.
3. Мета i задачi дослiдження
Метою роботи е створення CAD-системи техш-ко-економiчного порiвняння i обгрунтування вибору асинхронних електроприводiв кранових механiзмiв з урахуванням технологiчного циклу, споживання i втрат електроенергп протягом року.
Для досягнення поставлено! мети в робот розв'язу-вались наступш задачi:
- розробка методики розрахунку споживання електроенергп рiзними типами електроприводiв кранових механiзмiв в рiзноманiтних умовах !х експлуатацп, втрат енергп в статичних i динамiчних режимах за пев-ну кiлькiсть циклiв в залежностi вiд тривалостi роботи на знижених швидкостях. Порiвняння проводилось для кранових електроприводiв з реостатним регулюванням, тиристорними перетворювачами напруги для двигушв
з фазним ротором i перетворювачами частоти з або без блоку рекуперацп для короткозамкнених двигушв;
- проведення аналiзу споживання електроенергп при експлуатацп рiзних електроприводiв;
- розробка програми розрахунку енергп, яка доз-воляе оперативно робити висновок про дощльшсть застосування оптимального електропривода в кон-кретних умовах експлуатацп кранового мехашзму.
4. Енергетичш показники асинхронних електроприводiв.
Розрахунок енерги, що споживаеться альтернативними електроприводами механiзмiв пвдйому
Значна кiлькiсть кранових електроприводiв з реостатним регулюванням в ланцюзi ротора працюе зi значним недовантаженням, що призводить до великих втрат, особливо враховуючи втрати ковзання при зни-женiй швидкост. Саме тому для кранових механiзмiв бажано перевiрити доцiльнiсть використання сучасних регульованих електроприводiв змiнного струму за кри-терiем, зокрема, зниження втрат у двигуш. Втрати в мехашчнш передачi звичайно враховуються через ККД.
Сумарш змiннi втрати для асинхронного двигуна (АД) [20] - це сума вщповщних втрат в ланцюгах ротора i статора:
АРзм = M œ„s
1 +
Ri
R
2Z
ротора i додаткових резисторiв, тобто щ втрати пропо-рцiйнi електромагштному моменту i перепаду швидкост при цьому моментi.
Постiйнi втрати в АД включають втрати в стал^ механiчнi, а також в обмотщ статора вiд протiкання струму намагшчування 1О:
AP = AP + AP + AP + AP
ПОСТ ЛЛГСТ1 т ^ГСТ2 т ^ГМЕХ т
(2)
Але всi постшш втрати в сучасних електропри-водах дшсно не е постiйними, бо вони залежать ввд швидкостi га, напруги U i частоти f.
Мехашчш втрати приймають пропорцшними квадрату поточно! швидкост га [20] ,2
, (3)
дР =дР
МЕХ МЕХ.Н ^2
де ДРмех.н - механiчнi втрати при номшальнш швид-костi гаН.
Втрати вщ протiкання струму намагнiчування 1О можна виразити таким чином [20]:
\2
(4)
APq = АР0.н
_Ф Фи
тобто вони залежать вщ квадрата магнiтного потоку АД. В (4) ДРОН - номшальш втрати вiд струму намаг-шчування.
Втрати в сталi АД можна розрахувати за наступною формулою, якщо вважати [20] -Ф
Арст = APct.h
U
\ 2
UH V ну
\1,3
V fH y
(1 + s1,3 ).
(5)
В останшх формулах s, га, U та f - поточш значення ковзання, швидкост, напруги та частоти ввдповвдно. В них використовуються також складовi номшальних втрат АД, якi дощльно розраховувати, користуючись лише каталожними даними двигуна.
При робот з номшальними частотою, напругою i швидюстю (з номшальним ковзанням sB), коли роз-виваеться номiнальний момент М=Мн, мають мiсце i номiнальнi втрати в двигуш:
AP„ = 3U1hI1h cosФн -P„,
(6)
де и1н, 11н та cosфн - номiнальнi фазнi напруга, струм i коефвдент потужностi, Рн - номшальна потужнiсть.
Формулами (3)-(5) можна користуватись для роз-рахунку втрат в ланцюгах двигуна, який працюе в сталому режимь
Ввдомо, що сумарнi втрати енергп в АД можливо визначити за формулою (7)
^П.П
ДА = J 3I22(R1 + R2z)dt.
(7)
(1)
де гао - синхронна кутова швидкiсть, s вщносне ковзання, R1, R2£ - активнi опори статора i зведеш обмотки
Завдяки тому, що в перехщних режимах струми двигуна i вiдповiдно втрати, як правило, значно бiльше за номiнальнi, тому в цих режимах звичайно обме-жуються розгляданням лише змшних втрат, тому що вони значно бiльшi за постшш, яю складають 5 % ввд загальних втрат [20].
Якщо використовуеться електропривод, коли пе-рехщш процеси здiйснюються без змши юо (реостатне
регулювання або система ПН-АД), а навантаження вщсутне (Мс=0), сумарнi втрати
^ОЧ
ДА = | ]с
1+
Я
ds,
(8)
2Х/
де J - загальний момент шерцп електропривода, sпоч i sк - початкове i кшцеве значення ковзання вщповщно-го перехвдного режиму.
В загальному випадку при переходi вiд початково! швидкостi юпоч (sпоч) до кiнцевоi юк^к) при викорис-таннi цих електроприводiв, якщо МС=0, втрати в АД можна розрахувати за формулою: 2
ДА =]
2
1 +
Я
V - s2)
I 204 2I
(9)
2Х/
Наприклад, при пуску, якщо вважати sпоч=1, sк=0,
ААд =
1 +
Я,
Я'
(10)
2X7
Тобто iз збiльшенням опору роторного ланцюга зменшуються втрати в статорi. Але головне - щ втрати пропорцiйнi кшетичнш енергii, яка накопичуеться пiд час розгону.
В перехщних процесах з юо=const момент двигуна не залишаеться постiйним. Тому для визначення втрат енергп в перехщних процесах, коли е навантаження (а в кранових мехашзмах МС=сош^), домовимось вважати момент двигуна постшним; останнш визначаеться середнiм значенням М=Мсер, [20]
М = М р - М = сош^
дин сер с '
а при гальмуванш
М =-М р - М = const.
дин сер с
(11)
(12)
М„
Тому i прискорення е = —= const.
Тепер на вщмшу вiд (10) пiд час пуску, врахову-ючи (11)
ДАд = ]
Мсер Ю
М
1 +
я,т
(13)
що еквiвалентно пуску без навантаження зi збшьше-ним моментом шерцп.
Аналопчно при гальмуваннi, враховуючи (12)
ААд = 3]
Мсер Ю
М
1 +
я4
я
(14)
2Х/
Тепер вже процес вважаеться е^валентним галь-муванню без навантаження, але зi зменшеним моментом шерцп.
На вщмшу вiд електропривода, коли значення юо задаеться стрибком i тому завдяки великим ковзанням (особливо на початку перехвдних процеав) втрати до-сить значнi, для частотного електропривода е можли-вкть плавного завдання юо регулюванням частоти за певним законом. Останне мае знизити поточне ковзання двигуна, а тому i втрати.
В загальному випадку втрати енергп в перехщному процеа, якщо плавно змшюеться керуюча дiя,
ЬП.П ЬП.П
ДА = А1 -А2 = | М(^юо(^ - | М(^ю (t)dt, (15)
тут А! i А2 - споживана електромагнiтна i повна меха-нiчна енергiя за час перехвдного процесу ^.п. Отримати конкретш вирази для загального випадку дуже важко, тому обмежимось найбшьш розповсюдженим законом - лшшним завданням швидкостi неробочого ходу
ю = ю + £ ^
о о.поч о "
де прискорення ш -щ
0 _ в_о.поч
0 t0
де юо поч. i юо к - початкове i кiнцеве значення швидкост неробочого ходу, а ^ - час лiнiйно'i змiни ще! швидкостi.
Будемо вважати, що АД, який живиться вщ частотного перетворювача, в перехiдному режимi завжди працюе на лiнiйнiй частинi мехашчшл характеристики (коли sа<sка), тодi момент двигуна е функцiею абсолютного ковзання i частоти. Для цього випадку втрати за час перехщного процесу
М р
ДА =± Т-^^Ъ-М
Дю(ю -ю ),
\ ок оп / "
(16)
де Дю - падiння швидкостi в перехщному режимi, викликане статичним i динамiчним моментами. Далi вважатиме Мс=const i при пуску юоп=0, тодi
МС + Те Мс Дш = - С О - с
.Ш
Т
-1- А/
в в
Так зокрема, пiд час пуску АД, коли Мс=0, можна отримати вираз:
ААд = ^
1 +
Я4
Я
2X7
2Тм
(17)
З останнього видно, що при вщносно повшьно-му завданш юо пiд час частотного пуску, коли ^»Тм, втрати енергii можуть бути значно знижеш вiдносно втрат при прямому пуску, коли юо=const (10). Звичай-но ^>10Тм, тобто в цьому разi можна зменшити втрати у 5 i бшьше разiв [15].
Аналогiчнi вирази для втрат можна отримати, коли Мс ^0.
Тодi у зв'язку з тим, що динамiчний момент тд час пуску позитивний (11), а тд час гальмування - вщ'ем-ний (12), величина Дю теж буде рiзною, тому i втрати енергп при пуску i гальмуванш, звичайно, неоднаковь М
Величину J—^ у (16) необхщно розглядати як еквь
Мдин
валентний момент iнерцii, зумовлений дiею як статичного, так i динамiчного моментiв. Тодi втрати енергп у вах випадках можливо уявити собi як втрати енергп при робот без навантаження, але зi збшьшеним моментом iнерцii при розгош та зменшеним - при гальмуванш.
5. Розрахунок енергп, що споживаеться альтернативними електроприводами механiзмiв тдйому
Електроприводи кранових механiзмiв пiдйому працюють головним чином у стацiонарних режимах; тривалкть перехiдних процесiв занадто мала, тому втратами енергп в цих режимах при попередшх розра-хунках допустимо нехтувати.
2
Розглядаючи OKpeMi електроприводи MexaHi3MiB тд-йому, необхвдно зiставити втрати в ланцюгах двигуна i в його обмотках для певного робочого циклу електропривода. Це допоможе порiвняти ïx енергетичш спроможно-стi, а також на^вання двигуна в цьому режим!
При роботi на низьких швидкостях в реостатнiй системi регулювання та в системi ПН-АД у ланцюг ротора необxiдно ввести додатковi резистори для виводу бiльшоï частини втрат ковзання за межi електричноï машини, щоб зменшити ïï на^вання. Величина опору додаткового резистора забезпечуе роботу двигуна в заданiй точщ з координатами М i га. Але при викорис-таннi системи ПН-АД цей вибiр неоднозначний. Так, зменшення Ядод збiльшуe змiннi втрати ДРм, але втрати у сталi машини при цьому стають меншими, бо ввдпо-вiдно зменшуеться необхщна напруга. Тому загаль-нi втрати суттево збшьшуються лише при надмiрно зменшеному опорi резисторiв. Попереднi розрахунки засввдчують, що бажана штучна характеристика може перетинати вкь абсцис при момент, який на 35-45 % бшьше за номiнальне статичне навантаження (для мехашзму тдйому таке навантаження ввдповвдае моменту номiнального вантажу).
При використанш електропривода ПН-АД для роботи з заданим опором додаткових резисторiв у роторi Я'2дод втрати залежать вiд напруги Ui i ковзання si у вщповщних точках. Напругу в кожнiй з цих точок можна розрахувати через номшальну напругу и1н
uh= и М Н 1 vMp'
ш + Аш
Тепер розраховуемо необxiдну частоту
f = ^f„
де гао - синхронна швидкiсть природно1 характеристики, fn - номiнальна частота живлячоï мережi.
Для бiльшостi кранових меxанiзмiв, як було вже визначено, дiапазон регулювання швидкостi не пе-ревищуе 10:1, тому вважаемо, що напругу необхщно змiнювати пропорцiйно частотi:
f.
U, = fU1H. f
(20)
Далi розраховуемо втрати: в мiдi статора i ротора по аналоги з (1)
APMl = Mœ0ls,
Ч R1
1 +-4. R2 У
(21)
де R2 - тльки зведений опiр ротора.
Втрати в сталi двигуна залежать вщ ковзання, напруги, яка змшюеться, як i ранiше, а також вщ частоти (5). Однак при робот на лшшнш дшянщ меxанiчноï характеристики ковзання незначне у всьому дiапазонi змiни швидкостi, тому втратами в сталi ротора нехту-ють. Тодi при регулюваннi за законом (20), використо-вуючи (5), отримаемо
\3,3
(22)
APCT = APCTH
f
V fH У
(18)
Вiдомо, що втрати при неробочому xодi згiдно з (4)
де Mi i МР - моменти двигуна при знижених i номь нальнш напрузi на реостатних характеристиках i вщ-повщних ковзаннях.
Втрати розраховуються за допомогою формул (1),
Ф, U
(3)-(5), в яких вважаемо f=fn, а -т— = тт—.
н н
При реостатному регулюванш напруга залишаеть-ся постшною U=const. Тому в цьому випадку формули для визначення втрат залишаються тими же, якщо в них вважатимемо ^=и1Н, а в (4) Ф=ФН.
Аналопчно розраховуемо втрати при роботi двигуна з перетворювачем частоти ПЧ-АД [20]. Тодi можна використовувати АД з короткозамкненим ротором, але для коректного ствставлення, крiм того, беремо той самий двигун з фазним ротором i примусово замика-емо його юльця. Так робиться часто i в реальних умовах, коли необхщно переобладнати реостатну систему на бшьш сучасну (ПЧ-АД). Тепер вже слщ розрахувати вщповщну частоту, яка забезпечить роботу в заданш точщ з координатами rai, Mi. Вважаючи нахил характеристики для забезпечення конкретноï швидкост raj такою же, як природна, розраховуемо вщносне ковзання для заданоï конкретноï швидкостi raj
Аш
APc- Ф2,
U
але при частотному регулюванш, як це видно з (20), f -
=const тому можна вважати Ф = const i AP0i = AP0H= = const. Як i рашше, мехашчш втрати розраховуемо за формулою (3).
Таким чином, сумарш втрати потужност
ДР = ДР+ДР+ДР0 + ДР ,
м с и мех'
а електрично! енергп за цикл
A = £AP,t-
(23)
(24)
де Дга - падiння швидкостi при вщповщному моментi на природнiй характеристик.
Синхронна швидкiсть характеристики для iншоï частоти fj, яка забезпечуе необхвдну швидкiсть rai,
1 - s'
де Др - втрати потужност тд час роботи t на вщпо-вiдному етапi (всього в циклi n етапiв).
Далi необхщно розрахувати споживання корисноï енергiï при робот мехашзму у кожнш точщ статичного режиму i сумарну. Розглянемо декшька можли-востей.
1. При робот електропривода в режимi двигуна (I та III квадранти) до втрат у колi двигуна APi слвд додати потужшсть (енергiю) корисноï роботи (Mirai) з урахуванням ККД мехашзму пМ i двигуна пд та врахувати втрати в ПН або ПЧ через ККД вщповщ-ного перетворювача пП. Для цього потужшсть, яка споживаеться з мережi в кожнш робочш точцi режиму двигуна, можливо розрахувати наступним чином:
Р =
М, а
-ДР
Пи'
(25)
чПд Пм
2. В гальмiвному режимi (II, IV квадранти) меха-нiчна робота (потужшсть), яка виконуеться мехашз-
о
мом, передаеться на вал двигуна i далi або частково передаеться в мережу (за винятком втрат), або втрача-еться у резисторах.
Тут можливi деяю варiанти. Якщо використову-еться електропривод з реостатним регулюванням або система ПН-АД по схемi з 10 тиристорами, то робота на природнш характеристицi в режимi рекуперативного гальмування допускае передачу енергп у мережу. Таке ж повернення енергп до мережi вiдбуваеться, якщо електропривод по системi ПЧ-АД працюе на будь-якiй характеристицi в II або IV квадрантах, а рекупера-щя здiйснюеться завдяки спецiальному рекуператору. Тда загальна потужнiсть споживаеться з мережi
(26)
Р, =(-М,ю, пм Пд + АР, )—,
ПП
якщо вираз в скобках (26) пози-тивний (втрати в двигуш бiльшi за вироблену мехашчну потужнiсть), або вщдаеться в мережу
Р, =(-М,ю,пм Пд + АР, )пп, (27)
якщо цей вираз вщ'емний, тобто енергiя, що генеруеться завдяки ро-ботi мехашзму, бiльша за втрати в двигуш.
Але якщо електропривод з ре-остатним регулюванням або в сис-темi ПН-АД працюе на будь-якш штучнiй характеристицi в II або IV квадрантах (крiм природно'1), тобто в режимi противмикання, вся потужшсть (енергiя), яка виро-бляеться мехашзмом, втрачаеться в обмотках двигуна та додаткових резисторах. Аналогiчна ситуацiя складаеться при використанш сис-теми ПЧ-АД без рекуператора, коли вся енерпя, що генеруеться двигу-ном за рахунок кшетично'1 енергп вантажу, включаючи роботу на природнiй характеристик, гаситься на спецiальному гальмiвному рези-сторi. В цьому випадку потужшсть, яка споживаеться з мереж^ необхвдна лише для компенсацп втрат
двигун. Задаш для цього прикладу робочi точки циклу (режими роботи) наведено на рис. 1. Увесь робочий час класичного циклу tр представляемо з таких восьми режимiв: тдйом i спуск з номiнальною та зниженою швидкiстю номiнального вантажу та порожнього гака. Так, шдйому номшального вантажу на природнiй характеристицi I (коли двигун розвивае номшальний момент Мн) вiдповiдае точка 1, рис. 1, те ж - зi швид-кiстю 0,1 ю0 (т. 1'); спуск того ж вантажу на природнш характеристик II, коли двигун розвивае момент 0,85 Мн (т. 2), те саме - зi швидюстю - 0,1 ю0 (т. 2'). Ана-лопчно пiдйом i спуск порожнього гака на природних характеристиках I i II, коли двигун розвивае моменти 0,1 Мн (т. 3) i - 0,1 Мн (т. 4), а також з низькою швидкь стю ю=0,1 ю0 (т. 3') i - 0,1 ю0 (т. 4').
ш 3 1
1 ^ т 1
1
ч к- -- ----- |мп
* г \ ' Г м
1 1
4 42
Р,=(-М|^п + АР,)—,
1 1 1 ^ Пп
(28)
якщо вираз в скобках позитивний. Але якщо вш нега-тивний, обмiн енергп з мережею не вщбуваеться (Р; =0).
В уах випадках при використанш реостатного ре-гулювання, коли будь-який перетворювач вiдсутнiй, у формулах (25)-(28) вважаемо пП = 1.
Таким чином, якщо електропривод допускае ре-куперащю енергii, то 11 споживання за весь цикл може суттево знизитись.
Зробимо попередне сшвставлення за енергетичними показниками (споживання електроенергп) трьох елек-троприводiв для певного циклу роботи мехашзму тд-йому. Для прикладу спочатку використовуеться асин-хронний двигун з фазним ротором типу 4MTF(H)160L6, Рн=11,0 кВт, ин=220/380 В, пн=910 об/хв, (юн=95,25 с-1), 11н=32 А. Для електропривода ПЧ-АД далi будемо ви-користовувати також вщповщний короткозамкнений
Рис. 1. Задан робочi режими циклу: точка 1 (МН, юн); точка 2 (0,85 МН, — юн);
точка 3 (0,1 МН, юн); точка 4 (-0,1 МН, - юн); точка 1' (МН, 0,1 юн); точка 2' (0,85 МН, -0,1 юн); точка 3' (0,1 МН, 0,1 юн); точка 4' (0,1 МН, -0,1 юн)
Реостатна характеристика Ш використовуеться для роботи на знижених швидкостях в системi ПН-АД, коли резистори вмикаються в ланцюг ротора для виведення втрат ковзання за межi двигуна. Вона створюе момент, вiдповiдно до прийнятих рашше рекомендацiй, на 40 % бшьше вiд моменту при пiдйомi номiнального вантажу. Штучш характеристики IV, V, VI i VII (1) забезпечу-ють роботу реостатного електропривода на знижених швидкостях. Характеристики VIII i IX - це вдеальш характеристики, якi забезпечують знижеш швидкостi в системах електропривода ПН-АД i ПЧ-АД.
Вважаемо для нашого випадку, що кожна з опе-рацiй пiдйому i спуску номiнального вантажу i порожнього гака тривае 20 с. Це вщповщае механiзму з номшальною швидкiстю 1 м/с i висотою пiдйому -спуску 20 м. Тобто робочий час циклу tp =80 с. Далi розглянемо рiзнi варiанти, коли у т. 1'-4' двигун працюе 5 % (загальний час 4 с), 10 % (8 с) або 20 % (16 с) робочого часу tр. Якщо вважати тривалкть включення мехашзму шдйому ТВ=40 %, то час циклу ^ =200 с. Необхщно ощнити рiзницю споживання електроенергп при робот електроприводiв реостатного, ПН-АД i ПЧ-АД за 1 годину (18 циклiв) i протягом року, якщо
середньорiчне число годин роботи кранових мехашз-мiв прийняти 3000, що саме стосуеться портальних перевантажувальних кранiв.
При розрахунку енергп, що споживаеться з мережi або вiддаеться до не1, приймаемо ККД механiзму при робот з навантаженням, близьким до номшального (т. т. 1 i 2), Пмех.=0,85; а в точках 3 i 4, де виконуеться робота з недовантаженням, пмех=0,45. Аналогiчно для двигуна, коли вш працюе з навантаженням 60-100 % вщ номшального, його ККД залишаеться приблизно однаковим i на цей випадок приймаемо пдв=0,9. Але при суттевому зменшенш навантаження (т. т. 3 i 4) вiн становить вже пдв=0,6.
Спочатку наводимо результати розрахунюв при роботi у всiх 8 режимах кожного циклу (рис. 1). В табл. 1 наведеш результати розрахунюв споживання електроенергп вищезгаданим двигуном потужшстю 11 кВт за один цикл i за рiк для рiзних видiв електро-приводiв мехашзму пiдйому, причому розглянуто два
варiанти системи ПЧ-АД: без рекуперацii i з функцiею рекуперацii.
Отже, з графшв, наведених на рис. 2 можна зроби-ти висновок, що, як i очiкувалось, найбiльш економiч-ною е система електропривода ПЧ-АД у випадку вико-ристання короткозамкненого двигуна. Для наочност нижче наведена порiвняльна таблиця загального вщ-носного споживання електроенергп при робот крана, коли цикл складаеться з 8 режимiв.
Аналопчш розрахунки виконаш для циклу, коли знижена швидюсть використовуеться лише тд час спуску номшального вантажу (реалiзовано режим точка 2' на рис. 1).
Для цього випадку кiнцевi результати розрахунюв наведеш в табл. 4, 5, а також на графжах рис. 3 для двигуна потужшстю 11 кВт.
В табл. 6 наведено даш загального вщносного споживання електроенергп при робот крана, коли цикл складаеться з 5 режимiв.
Рис. 2. Рiзниця загального споживання електроенергп рiзними електроприводами в порiвняннi з реостатним ( у ци^ 8 режимiв, двигун кВт): 1 — реостатне регулювання; 2 — ПН-АД; 3 — ПЧ-АД без рекуперации (фазний двигун); 4 — ПЧ-АД з рекуперащей (фазний двигун); 5 — ПЧ-АД без рекуперации (короткозамкнений двигун); 6 — ПЧ-АД з рекуперащей
(короткозамкнений двигун)
Таблиця 1
Загальне споживання електроенергп рiзними електроприводами для двигуна потужшстю 11 кВт, кВт-год
Вщн. час роб. на зниж. шв. Реостат. регулювання (фаз. двигун типу 4МТF(Н)160L6 ) ПН-АД (фаз. двигун типу 4МТF(Н)160L6 ) ПЧ-АД без рекупераци (фаз. двигун типу 4МТF(Н)160L6 ) ПЧ-АД з рекуперащею (фаз. двигун типу 4МТF(Н)160L6) ПЧ-АД без рекупераци (к. з. двигун типу 4МТКF(Н)160L6) ПЧ-АД з рекуперащею (к. з. двигун типу 4МТКF(Н)160L6)
5 % 1 цикл (200 с) 0,1713 0,1780 0,1893 0,1696 0,1718 0,1453
3000 год 9 251 9 614 10 222 9 156 9 278 7 846
10 % 1 цикл (200 с) 0,1753 0,1800 0,1818 0,1631 0,1647 0,1395
3000 год 9 468 9 721 9 817 8 807 8 891 7 535
20 % 1 цикл (200 с) 0,1834 0,1840 0,1668 0,1501 0,1503 0,1280
3000 год 9 903 9 937 9 005 8 108 8 118 6 912
Рiзниця споживання електроенерги рiзними електроприводами в порiвняннi з реостатним, кВт-год
- - Реостат. регулирование (фаз. двигун типу 4МТF(Н)160L6 ) ПН-АД (фаз. двигун типу 4МТF(Н)160L6 ) ПЧ-АД без рекупераци (фаз. двигун типу 4МТF(Н)160L6 ) ПЧ-АД з рекуперащею (фаз. двигун типу 4МТF(Н)160L6) ПЧ-АД без рекупераци (к. з. двигун типу 4МТ-КF(Н)160L6) ПЧ-АД з рекуперащею (к. з. двигун типу 4МТ-КF(Н)160L6)
Вiдн. час роб. на зниж. шв. 5 %
Цикл 200 с За рж (3000 год) 0 362 971 -95 27 -1 405
Вщн. час роб. на зниж. шв. 10 %
Цикл 200 с За рж (3000 год) 0 253 348 -662 -577 -1 934
Вщн. час роб. на зниж. шв. 20 %
Цикл 200 с За рж (3000 год) 0 34 -897 -1 795 -1 785 -2 991
Таблиця 3
Загальне вщносне споживання електроенерги (у циклi 8 режимiв), %
Тип електроприводу вщносний час роботи на зниженш швидкост
5 % 10 % 20 %
Потужшсть електродвигуна, кВт 11 22 30 11 22 30 11 22 30
Реостатне регулювання 100 100 100
ПЧ-АД без рекупер. (к. з. двигун) 100,3 113 113 94 106 108 82 93,5 94,5
ПЧ-АД з рекупер. (к. з. двигун) 85 90 92 80 85 86 70 75 76
Таблиця 4
Загальне споживання електроенерги рiзними електроприводами для двигуна потужнютю 11 кВт, кВт-год
Вщн.час роб.на зниж.шв. Реостат. регулювання (фаз. двигун типу 4МТF(Н)160L6 ) ПН-АД (фаз. двигун типу 4МТF(Н)160L6 ) ПЧ-АД без рекупераци (фаз. двигун типу 4МТF(Н)160L6 ) ПЧ- АД з рекуперащею (фаз. двигун типу 4МТF(Н)160L6) ПЧ- АД без рекупераци (к. з. двигун типу 4МТКF(Н)160L6) ПЧ-АД з рекуперащею (к. з. двигун типу 4МТКF(Н)160L6)
5 % 1 цикл (200 с) 0,1726 0,1815 0,1972 0,1775 0,1792 0,1527
3000 год 9 323 9 801 10 651 9 585 9 677 8 245
10 % 1 цикл (200 с) 0,1780 0,1870 0,1977 0,1790 0,1794 0,1543
3000 год 9 612 10096 10 673 9 663 9 689 8 333
20 % 1 цикл (200 с) 0,1887 0,1979 0,1985 0,1819 0,1799 0,1575
3000 год 10 190 10 686 10 719 9 821 9 714 8 508
Рiзниця споживання електроенерги рiзними електроприводами в порiвняннi з реостатним, кВт-год
- - Реостат. регулирование (фаз. двигун типу 4MTF(H)160L6 ) ПН-АД (фаз. двигун типу 4MTF(H)160L6 ) ПЧ-АД без рекуперацп (фаз. двигун типу 4MTF(H)160L6 ) ПЧ-АД з рекуперащею (фаз. двигун типу 4MTF(H)160L6) ПЧ-АД без рекуперацп (к. з. двигун типу 4MTKF(H)160L6) ПЧ-АД з рекуперащею (к. з. двигун типу 4MTKF(H)160L6)
Вiдн. час роб. на зниж. шв. 5 %
Цикл 200 с За рш (3000 год) 0 478 1 328 262 354 -1 108
Вщн. час роб. на зниж. шв. 10 %
Цикл 200 с За рш (3000 год) 0 484 1061 51 77 -1 279
Вщн. час роб. на зниж. шв. 20 %
Цикл 200 с За рш (3000 год) 0 496 529 -369 -477 -1 682
Таблиця 6
Загальне вщносне споживання електроенерги (у циклi 5 режимiв), %
^п електроприводу вщносний час роботи на зниженш швидкост
5 % 10 % 20 %
Потужшсть електродвигуна, кВт 11 22 30 11 22 30 11 22 30
Реостатне регулювання 100 100 100
ПЧ-АД без рек. (к. з. двигун) 104 116 119 101 112 115 95 105 107
ПЧ-АД з рек. (к. з. двигун) 88 93 95 86,7 91 93 83 87 89,5
Рис. 3. Рiзниця загального споживання електроенерги рiзними електроприводами в порiвняннi з реостатним ( у ци1ш 5 режимiв, двигун 11 кВт): 1 - реостатне регулювання; 2 - ПН-АД; 3 - ПЧ-АД без рекуперации (фазний двигун); 4 - ПЧ-АД з рекуперации (фазний двигун); 5 - ПЧ-АД без рекуперации (короткозамкнений двигун); 6 - ПЧ-АД з рекуперации (короткозамкнений двигун)
Тепер вже можна проводити розрахунок еконо-мп коштв за рж шсля замши реостатного регулювання електроприводами ПЧ-АД з рекуперащею енергп або без не1 [21]. Для цього визначаються вартсть звичайного частотного перетворювача та перетворювача з модулем рекуперацii, якi рекомен-дуються деякими фiрмами (SIEMENS i SCHNEIDER ELECTRIC) [22-23].
При використанш перетворювача частоти потрь бен також фшьтр в контурi постiйного струму i галь-мiвний резистор. Для використання системи ПЧ-АД з рекуперащею енергп потрiбен додатково модуль
рекуперацп i фiльтр мережi. Цiкаво, що за даними SCHNEIDER ELECTRIC вартсть рекуператора стае менше вiдповiдного перетворювача лише тод^ коли потужнiсть електропривода бшьше 40-50 кВт. А фiрма SIEMENS випускае перетворювачi зi вмонтованими модулем рекуперацп i фiльтром, тому в щлому такi перетворювачi дешевше за перетворювачi з рекуператором фiрми SCHNEIDER ELECTRIC.
Далi можуть бути розраховаш термiни окупностi перетворювачiв частоти звичайних та з модулями рекуперацп. Вважаючи вартiсть електроенерги в Украш 1,91 грн/кВттод, а число годин роботи мехашзму тд-
йому за piK 3000, термш окупносп розраховуеться за формулою
T=K/B, (29)
де В - вартсть заощаджено'1 за piK електpоенеpгii (грн), К - вартсть додаткового обладнання.
На базi наведених в попеpеднiх роздшах теоретич-них розробок, необхiдних для розрахунку втрат ко-pисноi електроенергп для заданого циклу конкретного мехатзму, поставлена задача розробки програми для розрахунку електроенергп, що споживаеться piзними електроприводами, яка може бути тдставою для об-числення можливоi економп електpоенеpгii, а також теpмiну окупност електропривода ПЧ-АД.
Для цього було розроблено CAD-систему техшко-економiчного поpiвняння електpопpиводiв кранових механiзмiв, яка надае змогу провести аналiз ефектив-носп використання piзних електpопpиводiв для кранових механiзмiв пiдйому незалежно вщ iх потужностi.
При вибоpi середовища програмування для виршен-ня поставленоi задачi було прийнято створювати про-граму в сеpедовищi Microsoft Visual Basic for Application, (VBA), бо це поеднання одноi з найпростших мов програмування i вах обчислювальних можливостей тако! багатогpанноi системи, як Excel. За допомогою VBA мож-на легко i швидко створювати piзнi додатки, навiть не
будучи фахiвцем в областi програмування. VBA мштить вiдносно потужне графiчне середовище, що дозволяе на-очно конструювати екраннi форми i управляючi елемен-ти. Завдяки цьому Visual Basic for Application дозволяе з легюстю виршувати багато завдань.
Найбшьш складна задача в розробцi програми по-лягае в унiфiкацiï пiдходiв до аналiзу режимiв роботи кранових механiзмiв i систем електропривода, тому що мехашзми пiдйому, в основному, працюють в статичному режим^ а в механiзмах повороту - навпаки. Тому для кожного типу електропривода дана програма проводить розрахунок затрат електроенергп в статичному i в динамiчному режимах.
З урахуванням вах необхвдних даних для розрахунку створено штерфейс програми, який представлено на рис. 4. Вш розподшений на деюлька робочих вiкон: вихщш данi двигунiв з фазним i короткозамкненим ротором однакового типорозмiрy Якщо двигуни присутш у доввдковш базi даних (лист Excel «Motors»), то необ-хiдно задати лише типи двигушв, тодi всi техтчт даш '¿х з'являться автоматично. Далi вказують тривалiсть усталеного руху в цикл^ кiлькiсть циклiв на рж, вщ-носне навантаження i ввдносш сумарнi моменти iнерцiï механiзму для кожного режиму (робочоï точки). Остан-нiй рядок (Calculate) визначае, як з режимiв (точки 1, 2, 3, 4 на рис. 1) присутш в циклi i для яких з них можлива зменшена швидюсть руху (точки 1', 2', 3', 4').
Technics] data of tlie induction motor
With the pliase-uouud rotor With [litf short-circuited rotor
Description Variable Value description Variable Value
Type Type 4МТШШ18 Type Type 4МТКШ25М8
Ulti. V ui5 220 Шп. V Lia 220
PTL W Pn 30000 Pu» W Pn 30000
u tioiiupm 11 110111 720 il noiiupm n nom 700
COS((pil) cos tin 0.72 cos(<pn) cos fin 0.77
III], A I 111 74.6 Un, A I hi 68.0
[0, A 10 46.7 10, A 10 38.B
R] /Xl.OImi R1 /XI 0.140 0,230 RI. Olun RI 0.140
R2 } Xl\ Ohm R 2 /Х2 0.051 0.420 R2", Ohm R2 0.310
RJ1. Olun R2 0.084 RsC i Xsc'. Ohm Rsc i Xsс 0.450 0.570
Mmax, Hm Mmax 1030 Mniax. Nm Mtiias 1128
pole paii's P 4 pole pairs P 4
Jd kcitiv2 M 1.070 Jd, kgm 2 jd 1.070
Cycle duration ill statical mode te, s 50
Number of cycles pei1 year ne 54000
Work point 1 г 1 V 3 3" 4 4'
IMc-l 1 1 0,85 0,85 0.15 0.15 0.1 0.1
JraE* 0.1 0.1 0Л 0.1 0.05 0.05 0.05 0.05
Calculate 1 1 1 1 1 1 1 1
START
Рис. 4. 1нтерфейс вкна вихiдних даних програми
Вжно результатв розрахунку складаеться також з деюлькох дiлянок. На першiй вказано втрати електро-енергii в статичних i динамiчних режимах протягом циклу, тривалкть динамiчних режимiв, а також сумар-нi втрати кожного з електроприводiв для трьох значень вщносного часу роботи зi зниженою швидюстю. Отри-манi результати зведенi в таблицю, в якоi порiвняно втрати в електроприводах з обраним за базовий привод з реостатним регулюванням.
Результати з цiеi таблицi у виглядi графикiв (рис. 5) з лшшними трендами ^у(:|е / ^^ = до 30 % надають можлившть виявити залежнiсть втрат вiд часу роботи на зниженш швидкостi для будь-якого ^с|е / ^ус|е.
Виявляеться, що в механiзмах пiдйому крашв з часом роботи на зниженш швидкост <10 % можлившть рекуперацii пiд час спуску вантажу з номшальною швидкiстю в найпростшому реостатному електропри-водi робить цей привод бшьш економiчним, нiж приводи з регулюванням напруги i частоти без рекуператора.
Рис. 5. Графине зображення р1зниц1 загального споживання електроенерги рЬними електроприводами в пороняны з реостатним регулюванням:
1?уаг-— реостатне регулювання; —о— — ПН-АД;
—о—— ПЧ-АД без рекупераци; —о— — ПЧ-АД з рекуперащей
6. Обговорення результайв порiвняння економiчноi ефективностi використання разних вищв електроприводiв кранових механiзмiв пiдйому
З табл. 3 видно, що при робот електропривода з ПЧ-АД з можливою рекуперащею енерги в мережу економiя електроенергii по ввдношенню до реостатного регулювання е найбшьшою i становить, наприклад, для двигуна потужшстю 11 кВт 15-30 % в залежно-ст вiд значення вiдносного часу роботи на зниженш швидкост (зi збшьшенням вiдносного часу роботи на зниженш швидкост зростае економiя електроенергii). У випадку роботи частотного перетворювача без ре-
куператора економiя електроенергil значно менша, а саме для того ж самого двигуна при вщносному чаа роботи на зниженш швидкост 10 % вона становить 6 %, в той час, коли використовуеться рекуператор - 20 %. Важливим е також те, що з ростом потужност двигуна економiя електроенерги зменшуеться, наприклад для системи ПЧ-АД з рекуперащею при ввдносному чаи роботи на зниженш швидкост 10 % для двигуна потужшстю 11 кВт економiя становить 20 %, а для двигуна потужшстю 30 кВт - 14 %. В табл. 6 наведено даш загального вщносного споживання електроенерги при робот крана, коли цикл складаеться з 5 режимiв.
Порiвнюючи даш таблиць 3 та 6, можна зробити ви-сновок, що економiя електрично! енерги в останньому випадку значно знижуеться. Наприклад, для двигуна потужшстю 11 кВт при робот електропривода з ПЧ-АД з можливою рекуперащею енерги в мережу економiя електроенерги становить вже 11-17 %, що майже в
2 рази менше, шж при робот у циклi з 8 режимiв
(15-30 %). До того ж, при зб^ьшенш потужност двигуна економiя також зменшуеться, а саме для двигуна 22 кВт вона ста-новить 7-13 %, для дви-гуна 30 кВт - 4-11 % в залежност вщ значення вщносного часу роботи на зниженш швидкост ^ зб^ьшенням вщнос-ного часу роботи на зни-женш швидкост еконо-мiя електроенергii теж збшьшуеться).
Проаналiзувавши гра-фiки споживання електроенерги при експлуатаци рiзних електроприводiв, можна зробити деякi попе-реднi висновки. Так, очевидно, що електропривод ПН-АД споживае бшьше електроенерги у вах режимах порiвняно з ре-остатним регулюванням. Пояснюеться це головним чином тим, що при робот зi значними моментами (точки 1 i 2 на рис. 1) на-пруга дещо знижуеться, але струм ротора збшьшу-еться, це i приводить до бшьших змшних втрат у двигу-нi. Крiм того, для електропривода ПН-АД враховуються втрати в перетворювач^ а при реостатному регулюванш збшьшення втрат через це не ввдбуваеться. Далi, будь-який електропривод ПЧ-АД, що використовуе двигун
3 фазним ротором, характеризуеться бшьшим спожи-ванням електроенергП, шж електропривод з короткоза-мкненим двигуном.
Так, при робот на зниженш швидкост 20 % часу циклу ця рiзниця для перетворювача частоти з рекуперащею становить вщ 40-60 % (для циклу з 8 режимiв) до 300-400 % для циклу з 5 режимiв. Це пояснюеться бшьшим номшальним струмом двигушв з фазним
ротором, а тому i бшьшими втратами. Порiвняння цих графiкiв для двигушв трьох потужностей (табл. 3, 6) свщчить про тенденцiю: 3i збшьшенням потужностi електропривода мае мiсце ввдносно менша економiя електроенергiï при переходi до бiльш складних елек-троприводiв. Це пiдтверджуеться також графiками рис. 2, 3 яю показують, що збшьшення потужностi двигуна супроводжуються i збшьшенням вiдносного часу роботи 3i зниженою швидкiстю, при якому втрати для деяких електроприводiв (зокрема, ПЧ-АД з корот-козамкненим ротором без рекуперацИ) стають менши-ми, шж для реостатного регулювання.
Спостерiгаеться тенденщя того, що збiльшення вiдносного часу роботи на зниженш швидкост дае бшьшу економж електроенергiï при використанш частотного електропривода, особливо при можливо-стi ïï рекуперацiï. Проте при малому вщносному часi роботи зi зниженими швидкостями впровадження електропривода ПЧ-АД без функци рекуперацiï може привести до збшьшення витрат електроенергП в по-рiвняннi з найпростiшим реостатним електроприво-дом. Особливо це проявляеться у двигушв бiльшоï потужностi. Останне пояснюеться тим, що при використанш цього простого електропривода вщсутш втрати в перетворювачi (пп=1) i, головне, можлива ре-куперацiя енерги в мережу, коли робота здшснюеться на природнш характеристицi у другому (четвертому) квадрант.
Попередш розрахунки свщчать про те, що термiн окупност суттево залежить вiд фiрми-виробника пе-ретворювачiв, вiн може вiдрiзнятись на 30-40 %. Так, з проведених дослщжень видно, що перетворювачi без рекуперацп енерги фiрми SCHNEIDER ELECTRIC мають меншi термiни окупностi, а при необхщност рекуперацiï бiльш дощльно використовувати перетво-рювачi фiрми SIEMENS [21].
Взагал^ для механiзмiв тдйому перевантажуваль-них кранiв термiн окупност, як правило, збшьшуеться з ростом потужност електропривода [20-21]. Щкаво, що для малого вщносного часу роботи з низькими швидкостями (<10-15 %) недощльно встановлювати перетворювачi без рекуперацп. Тому особливо бажано використовувати ПЧ-АД для тдйомних механiзмiв таких крашв, яю значну частину всього часу роботи експлуатуються зi зниженими швидкостями (контей-нернi крани, будiвельнi тощо).
7. Висновки
Встановлено, що споживання електроенергП асин-хронними двигунами кранових механiзмiв залежить не тiлькi вщ типу електропривода, а також вщ особли-востей технологiчного процесу i режимiв '¿х роботи. Показано, що при незначному чаа роботи зi зниженими швидкостями електропривод ПЧ-АД без рекуператора споживае бшьше електроенерги, шж електропри-вод з реостатним регулюванням.
Для вибору оптимального типу електроприводу була створена CAD-система порiвняння техшко-еко-номiчноï ефективност асинхронних електроприводiв кранових механiзмiв, яка дозволяе оперативно робити висновок про дощльшсть застосування оптимального електропривода в конкретних умовах експлуатаци кранового мехашзму. Завдяки ушфжаци пiдходiв до аналiзу режимiв роботи механiзмiв пiдйому i повороту програма проводить розрахунок витрат електроенер-riï в статичному i в динамiчному режимах. Програма обчислюе можливу економiю електроенергiï та термш окупностi електропривода ПЧ-АД з урахуванням на-вантаження, моментiв iнерцИ та ввдносного часу роботи зi зниженими швидкостями.
^riepaTypa
1. Javied, T. A Study on Electric Energy Consumption of Manufacturing Companies in the German Industry with the Focus on Electric DrivesOriginal Research Article [Text] / T. Javied, T. Rackow, R. Stankalla, C. Sterk, J. Franke // Procedia CIRP. - 2016. -Vol. 41. - P. 318-322. doi: 10.1016/j.procir.2015.10.006
2. Raubar, E. Anti-Sway System for Ship-to-Shore Cranes [Text] / E. Raubar, D. Vrancic // Journal of Mechanical Engineering. -2012. - Vol. 58, Issue 5. - P. 338-344. doi: 10.5545/sv-jme.2010.127
3. Miller, P. A techno-economic analysis of cost savings for retrofitting industrial aerial coolers with variable frequency drives [Text] / P. Miller, B. Olateju, A. Kumar // Energy Conversion and Management. - 2012. - Vol. 54, Issue 1. - P. 81-89. doi: 10.1016/j. enconman.2011.09.018
4. Usynin, Yu. S. Asynchronous electric drive with pulse-vector control [Text] / Yu. S. Usynin, A. V. Valov, T. A. Kozina // Russian Electrical Engineering. - 2011. - Vol. 82, Issue 3. - P. 134-137. doi: 10.3103/s1068371211030102
5. Emelyanov, A. P. Algorithms for management, modeling, and analysis of highly dynamical asynchronous electric drives control [Text] / A. P. Emelyanov, A. E. Kozyaruk // Russian Electrical Engineering, - 2011. - Vol. 82, Issue 2. - P. 61-68. doi: 10.3103/ s1068371211020052
6. Tunyasrirut, S. Speed and Power Control of a Slip Energy Recovery Drive Using Voltage-source PWM Converter with Current Controlled Technique [Text] / S. Tunyasrirut, V. Kinnares // Energy Procedia. - 2013. - Vol. 34. - P. 326-340. doi: 10.1016/ j.egypro.2013.06.761
7. Nicolae, P. About the experimental results of an electric driving system based on asynchronous motor and PWM converter [Text] / P. Nicolae, D. Stanescu, I. Sirbu // 2008 13th International Power Electronics and Motion Control Conference, 2008. - P. 11811186. doi: 10.1109/epepemc.2008.4635428
8. Zilkova, J. Fuzzy vector control of asynchronousmotor [Text] / J. Zilkova, J. Timko, M. Kovac // Acta Technica CSAV (Ceskoslov-ensk Akademie Ved). - 2010. - Vol. 55, Issue 3. - P. 259-274. doi: 10.1109/epepemc.2008.4635428
9. Blanusa, B. New Trends in Efficiency Optimization of Induction Motor Drives [Text] / B. Blanusa. - New Trends in Technologies: Devices, Computer, Communication and Industrial Systems, 2010. doi: 10.5772/10427
10. Григоров, О. В. Енергозбереження шляхом застосування ращонального керування асинхронних електропривод1в ВПМ [Текст] / О. В. Григоров, В. П. Свиргун, В. В. Стрижак, Ю. I. Зайцев // Сборник начных трудов «Вестник НТУ «ХПИ»: Технологи в машинобудуванш. - 2010. - Вып. 49. - С. 61-64.
11. Grygorov, O. V. Realization of energy-saving control modes on cranes of great load-carrying capacity [Text] / O. V. Grygorov, Y. I. Zaytsev, V. P. Svirgun, V. V. Stryzhak // Annals of the University of Petro ani : Mechanical Engineering - 2010. - Vol. 12. -P. 111-118.
12. Зашзецький, А. М. Дослщження частотного електропривода в статичних режимах роботи [Текст] / А. М. Зашзецький,
0. В. Шзнюр // Вюник Хмельницького нащонального ушверситету. - 2012. - № 3. - С. 69-74.
13. Фираго, Б. И. Применение устройств плавного пуска и торможения асинхронных электрических двигателей с к.з. ротором в электроприводах крановых механизмов передвижения [Текст] / Б. И. Фираго, Д. С. Васильев // Електротехнические и компьютерные системы. - 2011. - № 4 (80). - С. 30-38.
14. Радимов, С. Н. Потенциал энергосбережения электроприводов портовых грузоподъемных машин [Текст] / С. Н. Радимов, К. А. Аниченко // Електромашинобудування та електрообладнання. - 2006. - Вип. 66. - С. 322-323.
15. Мощинский, Ю. А. Обобщенная математическая модель частотно-регулируемого асинхронного двигателя с учетом потерь в стали [Текст] / Ю. А. Мощинский, Аунг Вин Тут // Электротехника. - 2007. - № 11. - С. 61-66.
16. Браславский, I. Я. Реал1защя енергоощадних технологш на основ1 регульованих асинхронниих электроприводов [Текст] /
1. Я. Браславский, З. Ш. 1шматов // Електрошформ. - 2003. - № 3. - С. 11-15.
17. Григоров, О. В. Анал1з пуско-гальм1вних процеав кранових мехашзм1в з частотно-регульованим приводом [Текст] / О. В. Григоров, В. В. Стрижак // Вестник ХНАДУ. - 2012. - Вып. 57. - С. 249-256.
18. Савич, С. П. Пор1вняння економ1чно1 ефективност альтернативних електропривод1в у нестащонарних режимах [Текст] / С. П. Савич // Електротехшчш та комп'ютерш системи. - 2012. - № 07 (83). - С. 50-55.
19. Герасимяк, Р. П. Економ1чна ефектившсть використання перетворювач1в частоти для кранових мехашзм1в тдйому [Текст] / Р. П. Герасимяк, С. П. Савич, Л. А. Швец // Електротехшчш та комп'ютерш системи. - 2011. - № 03 (79). - С. 392-393.
20. Браславский, И. Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод [Текст] / И. Я. Браславский, З. Ш. Ишматов, В. Н. Поляков. - М.: АСАДЕМА, 2004. - 202 с.
21. SINAMICS G110, SINAMICS G120. Стандартные преобразователи. SINAMICS G 110 D, SINAMICS G 120 D [Текст]. - Децентрализованные преобразователи. Каталог D 11.1.2009.
22. Altivar 71 [Текст]. - Преобразователи частоты. Schneider Electric, 2009. - 332 c.
