CC BY
178
УДК [62-83:629.565.1]:658.589
А. И. Надеев, Н. Г. Романенко, Н. А. Медников, Е. В. Стуров
МОДЕРНИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЛАВУЧЕГО КРАНА «БОГАТЫРЬ» С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫЙ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ
A. I. Nadeev, N. G. Romanenko, N. A. Mednikov, E. V. Sturov
MODERNIZATION OF ELECTRIC DRIVES OF THE FLOATING CRANE "BOGATIR" USING MODERN ENERGY-SAVING TECHNOLOGIES
Цель модернизации - замена морально и физически устаревшего оборудования и снижение затрат на электроэнергию. Проводится замена системы генератор-двигатель с отрицательной обратной связью по скорости на систему преобразователь частоты-асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. На основе анализа действующей системы рассчитаны предварительные данные новых двигателей, преобразователей частоты и кабельных сетей.
Новая система обеспечивает плавное регулирование скорости вращения двигателей электроприводов, высокий коэффициент полезного действия всей системы, ограничение пусковых токов, что приводит к уменьшению энергозатрат и износа коммутационной аппаратуры.
Ключевые слова: плавкран, модернизация электроприводов, частотное регулирование асинхронных двигателей, выбор преобразователей частоты, расчет фидеров.
The objective of modernization is the replacement of morally and physically obsolete equipment and reduction in energy costs. It is offered to replace the system generator-engines with a negative feedback on speed by the system frequency converter-cage induction motor. Preliminary data of new engines, frequency converters and cable wires are calculated basing on the analysis of the existing system. The new system provides the stepless control of rotational speed of electric drives engines, high efficiency of the whole system, starting current limiting, which results in the reduction of energy costs and wear of the switchgear.
Key words: floating crane, modernization of electric drives, frequency regulation of asynchronous engines, selection of frequency converters, feeder calculation.
В настоящее время большое внимание уделяется проблеме энергосбережения, в частности в судовом электроприводе. Объясняется это в первую очередь значительным развитием флота крупнейших морских держав мира, связанным как с обеспечением коммерческих задач, так и освоением Мирового океана. Быстро растущее потребление нефти и газа обусловило рост внимания к их добыче не только на суше, но и в морях и океанах, где погрузочные операции осуществляются с помощью плавучих установок [1]. По оценкам экспертов, суммарная установленная мощность судовых электроприводов составляет около 80 % мощности всех судовых потребителей.
Разработка и внедрение в системах судовых электроприводов современных энергосберегающих технологий и устройств позволят получить более значимый результат, чем внедрение новой техники для других судовых потребителей. Применение частотно-регулируемого электропривода позволяет не только повысить надежность той системы, в которой он используется, но и сэкономить энергоресурсы [2].
Нами проведена предварительная проработка задачи модернизации главных электроприводов плавкрана «Богатырь», которую кафедра «Электрооборудование и автоматика судов» Астраханского государственного технического университета (АГТУ) выполняет по заказу ООО ПКФ «Фатом»: предложен вариант модернизации главных электроприводов плавучего крана «Богатырь»; приводится описание новой системы электроприводов с заменой приводных электродвигателей и использованием современных преобразователей частоты; составлена функциональная схема.
Плавкран «Богатырь» (1976 г. постройки), принадлежащий ООО «Астраханское судостроительное производственное объединение», выполняет значительный объем грузовых работ по заказам отечественных и зарубежных фирм и организаций.
Однако из-за физического износа электрооборудования крановых механизмов у экипажа крана в последнее время все чаще возникают проблемы с поддержанием крана в рабочем состоянии, что может привести к срыву заказа и финансовым потерям. Кроме того, система генератор-двигатель (Г-Д), по которой построены главные крановые электроприводы (главный подъем, поворот башни, изменения вылета стрелы), хотя и обладает хорошими регулировочными свойствами, но морально устарела и имеет низкий КПД.
Следует также отметить, что силовые конструкции крана и механическая часть крановых электроприводов сохраняют свою работоспособность и пригодны для дальнейшей эксплуатации, а крановая электростанция вырабатывает переменное напряжение 380 В частотой 50 Гц.
Для определения предварительных параметров и возможных схемных решений новой системы электроприводов, на плавкране «Богатырь» было проведено исследование технического состояния крановых электроприводов и изучение технической документации и электрических схем.
В результате исследования были определены возможные места расположения нового оборудования на кране, предварительные длины кабельных линий, требуемые параметры новых электродвигателей.
Данные двигателей постоянного тока, которые используются в качестве приводных двигателей главных крановых электроприводов, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Объект модернизации Марка двигателя Количество двигателей Номинальные параметры двигателей
Мощность, кВт Частота, об/мин Ток, А Напряжение, В
Механизм подъема ДП 82Т 4 85 500 425 220
Механизм поворота ДП 62 2 60 950 300 220
Механизм изменения вылета стрелы ДП 72 2 60 560 300 220
Учитывая, что модернизация имеющихся электроприводов заключается в установке системы преобразователь частоты-асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, асинхронные двигатели можно подобрать, основываясь на имеющихся данных по двигателям постоянного тока. С запасом мощности и номинального числа оборотов в минуту в 10-20 % мы можем выбрать двигатели, производимые ОАО «Владимирский электромоторный завод» [3], основные характеристики которых соответствуют международным и европейским нормам.
Для механизма подъема были выбраны 4 двигателя 5АМ315МВ10 с характеристиками, показанными в табл. 2. Для механизма поворота будут использоваться 2 двигателя 6А31586, а для механизма изменения вылета стрелы - 2 двигателя 5АМ315МА10е [4].
Таблица 2
Характеристики выбранных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором
Тип двигателя Номинальная мощность, кВт Номинальная частота, об/мин КПД, % Номинальный ток при напряжении 380 В, А Масса, кг
5АМ315МВ10 90 590 93,0 182 975
6А3Ш6 75 990 94,5 135 720
5АМ315МА10е 75 590 93,5 143 927
Электродвигатели главного подъема, изменения вылета стрелы размещены в моторном отсеке башни крана, два двигателя поворота башни размещены на открытой палубе.
Электроприводы главного подъема, изменения вылета стрелы оборудованы защитой от ограничителя грузоподъемности, максимального и минимального по длине шкентеля. Электропривод изменения вылета стрелы оборудован защитой от ограничителей максимального и минимального вылета стрелы.
Электроснабжение всех главных крановых электроприводов, размещенных в поворотной башне, производится через кольцевой токоподвод, размещенный в нижней части башни.
Управление электроприводами производится из кабины крановщика с помощью командо-контроллеров с плавным изменением сигналов задания скорости. В системах Г-Д главных элек-
троприводов реализована стабилизация скорости работы электродвигателей с использованием отрицательных обратных связей по скорости работы электродвигателей от тахогенераторов.
С учетом вышеперечисленных особенностей главных крановых электроприводов предлагается вариант модернизации с заменой существующей системы Г-Д на систему асинхронный двигатель-преобразователь частоты.
Предлагаемый вариант модернизации позволяет решить следующие задачи:
— повышение надежности за счет замены старого, физически изношенного электрооборудования и использования более надежных, чем двигатели постоянного тока, асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором;
— повышение КПД и экономической эффективности за счет большего КПД асинхронных двигателей и КПД системы преобразователь частоты-асинхронный двигатель в целом;
— сокращение электрических машин в поворотной башне, что уменьшит вес, понизит расположение центра тяжести крана и обеспечит его большую остойчивость;
— упрощение схемных решений системы электроприводов и сокращение длины кабельных линий;
— возможность работы электроприводов на повышенных значениях скорости.
Разработка новой системы электроприводов должна вестись с соблюдением следующих
требований:
— использование электродвигателей, преобразователей частоты и другого электрооборудования соответствующего исполнения, имеющих сертификаты Регистра РФ;
— сохранение существующих видов защиты электроприводов;
— обеспечение стабилизации заданной скорости при изменениях нагрузки;
— применение тормозных резисторов с преобразователями частоты для рассеивания мощности в тормозных режимах;
— применение входных и выходных фильтров на преобразователях частоты, для уменьшения высших гармоник в судовой сети и в статорных обмотках электродвигателей.
На рисунке представлена функциональная схема электропривода по системе: преобразователь частоты - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором для механизма подъема.
Функциональная схема электропривода: Ф1, Ф2 - входной и выходной фильтры соответственно; М - асинхронный двигатель; ТГ - тахогенератор
При выборе преобразователя частоты, с учетом надежности эксплуатации, качества оборудования, его стоимости, было принято решение о выборе фирмы-изготовителя, которой стала компания «Шнайдер Электрик» - российское дочернее предприятие концерна Schneider Electric, ведущего разработчика и поставщики комплексных энергоэффективных решений. Компания предлагает решения для управления электроэнергией в сфере гражданского и жилищного строительства, промышленности, энергетики и инфраструктуры, центров обработки данных и сетей [5].
Компания имеет филиалы в 19 крупнейших городах России с головным офисом в Москве. Производственная база «Шнейдер Электрик» в России представлена двумя действующими заводами и двумя логистическими центрами.
Кафедра «Электрооборудование и автоматика судов» АГТУ уже много лет активно сотрудничает с фирмой Schneider Electric, имеется положительный опыт совместной работы.
Для управления мощными крановыми двигателями был выбран преобразователь частоты Altivar 71, который появился на свет как результат сотрудничества двух крупнейших электротехнических компаний мира - Schneider Electric и Toshiba. Открытый для всех коммуникационных сетей и адаптируемый к различным применениям, преобразователь Altivar 71 предлагает оптимальные решения для любых задач электропривода с учетом особенностей каждого механизма.
Преобразователи Altivar 71 обеспечивают управление асинхронными двигателями мощностью от 0,37 до 500 кВт при трехфазном напряжении питания 200-240 и 380-480 В [6].
Надежный и помехозащищенный Altivar 71 обеспечивает длительную службу механизмов. Он выдерживает падение напряжения питания до 50 % и может работать без снижения мощности при температуре до 50 °С. Благодаря встроенным фильтрам ЭМС, ему не страшны индустриальные помехи. Altivar 71 обеспечивает полную безопасность установки, поскольку его многочисленные защитные функции одновременно действуют на уровне преобразователя частоты, двигателя (электронное реле и PTC-датчики) и механизма. Защитная функция блокировки преобразователя Power Removal предотвращает несанкционированный пуск двигателя, обеспечивая безопасность персонала в соответствии с категорией 3 нормы EN 954-1 и характеристикой SIL2 стандарта МЭК/EN 61508.
При выборе преобразователя частоты были использованы параметры выбранных нами асинхронных двигателей. Характеристики выбранных преобразователей частоты показаны в табл. 3.
Таблица 3
Характеристики выбранных преобразователей частоты
Серия Altivar 71 Двигатель Сеть Altivar 71
Мощность, указанная на заводской табличке, кВт Линейный ток, А* Полная мощность, кВА Максимальный линейный ток короткого замыкания, кА Максимальный ток в установленном режиме, А* Максимальный ток переходного режима А*, в течение Масса, кг
60 с 2 с
ATV 71HC40N4 400 709 466,6 50 759 1 138 1 252 225,000
ATV 71HC16N4 160 289 190.2 50 314 471 518 110,000
* При напряжении 380 В.
В механизме подъема используются 4 двигателя 5АМ315МВ10, которые работают одновременно, поэтому для подбора преобразователя частоты нам необходимо просуммировать мощности и токи данных двигателей. Суммарная мощность двигателей 360 кВт, суммарный ток 728 А. Основываясь на данных значениях и учитывая напряжение систем электроснабжения, выберем преобразователь частоты серии Altivar 71 от компании Schneider Electric - ATV 71HC40N4.
В механизме подъема используется 2 двигателя 6A315S, которые работают одновременно, поэтому для подбора преобразователя частоты необходимо просуммировать мощности и токи данных двигателей. Суммарная мощность двигателей 150 кВт, суммарный ток 270 А.
Основываясь на данных значениях и учитывая напряжение систем электроснабжения, выберем преобразователь частоты серии Altivar 71 от компании Schneider Electric - ATV 71HC16N4.
В механизме подъема используются 2 двигателя 5АМ315МА10е, которые работают одновременно, поэтому для подбора преобразователя частоты необходимо просуммировать мощности и токи данных двигателей. Суммарная мощность двигателей 150 кВт, суммарный ток 286 А.
Основываясь на данных значениях и учитывая напряжение систем электроснабжения, выберем преобразователь частоты серии Altivar 71 от компании Schneider Electric - ATV 71HC16N4.
После выбора двигателей и преобразователей частоты приступим к расчету питающих кабелей по полученным номинальным токам (данные приведены в табл. 4 [7]).
Таблица 4
Расчет фидера питания для одного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором
Марка двигателя Мощность нагрузки, кВт Рабочий ток, А Марка кабеля Сечение, мм2 Число жил Число кабелей в фидере Материал изоляции Металлическая оболочка
5АМ315МВ10 105 200 КНР 25 1 3 Резина Отсутствует
6А31586 85 160 КНР 16 1 3 Резина Отсутствует
5АМ315МА10е 85 160 КНР 16 1 3 Резина Отсутствует
Для питания преобразователей частоты к ним подводится трехфазное напряжение промышленной частоты от главного распределительного щита крана, располагающегося в кабине крановщика.
Для расчета фидеров, питающих преобразователи, необходимо знать ток, потребляемый ими. Данные по выбору кабелей для питания преобразователей частоты приведены в табл. 5 [7].
Таблица 5
Расчет фидера питания преобразователей частоты
Серия ЛШуаг 71 Мощность нагрузки, кВт Рабочий ток, А Марка кабеля Сечение, мм2 Число жил Число кабелей в фидере Материал изоляции Металлическая оболочка
АТУ 71НС40Ж 428 813 КНР 150 1 3 Резина Отсутствует
АТУ 71НС16Ж 163 310 КНР 50 1 3 Резина Отсутствует
При установке преобразователя частоты внутри шкафа необходимо знать рассеиваемую мощность, далее это станет одним из необходимых параметров при расчете геометрических размеров шкафа. Необходимо также учитывать тепловыделения другого оборудования, устанавливаемого в шкафу.
По окончании необходимых расчетов были выбраны шкафы для монтируемого электрооборудования, размеры которых приведены в табл. 6 [8].
Таблица 6
Выбор герметичных шкафов для электрооборудования
Модернизируемый механизм Используемый преобразователь частоты Геометрически размеры шкафа: В х Ш х Г, мм
Механизм подъема АТУ 71НС40Ж 2000 х 1000 х 500
Механизм поворота АТУ 71НС16Ж 1800 х 600 х 500
Механизм изменения вылета стрелы АТУ 71НС16Ж 1800 х 600 х 500
Используемые пылевлагозащищенные шкафы не обеспечивают необходимого рассеивания тепла, поэтому для улучшения условий охлаждения необходимо в ящик установить вентилятор и обеспечить приток воздуха. Для использования вытяжной вентиляции шкаф модернизируется, в нем прорезаются отверстия и устанавливается специальный комплект воздухозаборников и вентилятор, которые обеспечивают приток холодного воздуха и отвод нагретого. В подобные ящики устанавливаются вентиляторы, рекомендуемые производителем с учетом используемого преобразователя частоты и устанавливаемого электрооборудования.
Таким образом, анализ действующей системы позволил рассчитать предварительные данные новых двигателей, преобразователей частоты и кабельных сетей. Новая система обеспечивает плавное регулирование скорости вращения двигателей электроприводов, высокий коэффициент полезного действия всей системы, ограничение пусковых токов, что приводит к уменьшению энергозатрат и износа коммутационной аппаратуры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Романенко Н. Г., Ткаль С. В. Разработка алгоритма работы и модели системы управления электроприводом крана буровой платформы // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2011. - № 1. - С. 51-55.
2. Энергосберегающее управление электроприводами насосных агрегатов / А. И. Надев, Н. Г. Романенко, А. И. Мащенко и др. // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. -2011. - № 2. - С. 111-116.
3. www.vemp.ru - официальный сайт компании ОАО «Владимирский электромоторный завод».
4. Техническая документация на асинхронные электродвигатели ОАО «Владимирский электромоторный завод» / www.vemp.ru.
5. www.schneider-electric.ru - официальный сайт компании «Schneider Electric».
6. Техническая документация на преобразователь частоты Altivar 71 / www.chrp.ru.
7. Техническая документация на кабели ОАО «Камкабель»: «Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 6 кВ» / www.kamkabel.ru/production.
8. Техническая документация на шкафы «Sarel 22.7» фирмы «Schneider Electric» / www. www.schneider-electric.ru.
Статья поступила в редакцию 12.12.2011
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Надеев Альмансур Измайлович - Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Электрооборудование и автоматика судов»; elmech@astu.org.
Nadeev Alimansur Izmailovich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Science, Professor; Head of the Department "Electrical Equipment and Automatics of Ships"; elmech@astu.org.
Романенко Николай Геннадьевич - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Электрооборудование и автоматика судов»; elmech@astu.org.
Romanenko Nickolay Gennadievich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science; Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Electrical Equipment and Automatics of Ships"; elmech@astu.org.
Медников Николай Алексеевич - Астраханский государственный технический университет; студент, специальность «Электрооборудование и автоматика судов»; kolyan30rus@inbox.ru.
Mednikov Nkkolay Alekseevich - Astrakhan State Technical University; Student, Speciality "Electrical Equipment and Automatics of Ships"; kolyan30rus@inbox.ru.
Стуров Ефим Валерьевич - Астраханский государственный технический университет; студент, специальность «Электрооборудование и автоматика судов»; Cruzoff@mail.ru.
Sturov Efim Valeriyevich - Astrakhan State Technical University; Student, Speciality "Electrical Equipment and Automatics of Ships"; Cruzoff@mail.ru.
