CC BY
58
УДК 62-83:621/.69
Н.И. Горбачевский, канд. техн. наук, зав циклом, гл энергетик, (8555) 49-74-18, gorbachevskiyNI@nksh.tatneft.ru (Россия, Нижнекамск, ОАО «Нижнекамскшина», НХТИ), Р.Н. Ганиев, зав. лаб., 8-917-861-67-92, n7007@mail.ru (Россия, Нижнекамск, НХТИ), В.Н. Платов, гл конструктор, 8-903-336-07-75, platcont@mail.ru (Россия, Нижнекамск, ООО «Контакт-М»)
ПРОБЛЕМЫ МОДЕРНИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ЭКСТРУЗИОННОГО ТИПА
На основе экспериментальных и расчетных данных проанализированы технические характеристики электроприводов экструдеров. Определены основные положения по модернизации эксплуатируемых электроприводов. Приведена методика выбора электрических машин установок с резкопеременным характером нагрузки.
Ключевые слова: электропривод экструдера, электрические машины установок с резкопеременным характером нагрузки.
Одними из наиболее сложных энергоемких производственных установок резинотехнической отрасли являются экструдеры. Находящиеся во главе поточных линий по производству профилированных изделий, экс-трудеры являются главными установками, определяющими характеристики и качество изделий на начальном этапе изготовления деталей шин, и задающими режим работы для последующих узлов линии. Особенно широко экструзия применяется в шинном производстве при переработке резиновых смесей. От качества процесса экструзии во многом зависят эксплуатационные характеристики готовой продукции, а потому процесс экструзии и профилирования деталей является довольно сложным, требующим строгого соблюдения заданной технологии. В частности, производство протекторов, ободных лент и боковин покрышек сопряжено с соблюдением таких параметров, как скорость шприцевания, температура резиновой смеси, давление в цилиндре экструдера и пр., определенных технологическим регламентом. Несоблюдение перечисленных условий неизбежно ведет к образованию дефектов в шприцуемых деталях и, соответственно, к выходу в брак продукции и значительным материальным издержкам.
Основным узлом экструдера является червяк. Именно от его размеров и формы зависит производительность агрегата и степень гомогенизации резиновой смеси, так как пластичная смесь в экструдере не только формуется через фильеру, но в то же время проходит процесс диспергирования. Процессы диспергирования резины внутри экструдера сопровождаются значительными затратами энергии, как механическими, так и тепловыми. Механическая характеристика нагрузки экструзионного типа имеет вид, подобный характеристикам резательных машин, но в отличие
от них обладает некоторой нелинейностью. Это связано с непрерывным изменением вязкости рабочей смеси, величина которой меняет свое значение вследствие протекания ряда реологических процессов при плавлении и выдавливании. Так, к примеру, при сдвиговом течении расплава смеси в экструдере, необходимый момент вращения червяка определяется выражением [1]
М = ^ШК, (1)
Н
где Я, Ь, Н - геометрические характеристики экструдера, N - частота вращения червяка, ^ - сдвиговая вязкость смеси. Как видно из выражения (1), приводной момент пропорционален вязкости перерабатываемой смеси и частоте вращения червяка.
Кроме того, на величину статического момента оказывают влияние пластичность, вязкость температура смеси. Как показывают исследования червячных машин, изменения температуры резиновой смеси приводят к изменениям нагрузки в пределах 5... 7 %. Изменения температурного режима в экструзии могут вызвать отклонения статического момента на ±80 %. Для экструзионных агрегатов шинной промышленности величина момента сопротивления является значительной величиной. Так, в производстве грузовых шин, значение момента сопротивления колеблется в диапазоне 1,2...4,5 кНм, что соответствует мощности привода 110...350 кВт. Резкопеременный характер нагрузки иллюстрирует осциллограмма тока приводного двигателя экструдера линии КАМА-8, полученная в ходе работ [2] на ОАО «Нижнекамскшина» (рис 1).
сип bOC2.fi 12006:3 1 НИ] 7 У 24010.6 :001 Л2 36016.® 4201В.5 48021,1 54023« 60326 4
Рис. 1. Осциллограмма тока приводного двигателя экструдера линии
КАМА-8
Как известно, для поддержания постоянного момента и скорости электропривода, применяется метод последовательной коррекции координат или метод подчиненного регулирования. Техническая реализация метода основана на создании двухконтурной автоматической системы управления с отрицательной обратной связи по току и скорости машины.
До недавнего времени наиболее приемлемыми системами с возможностью реализации принципа обратной связи были электроприводы постоянного тока по системе тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока. Приводы постоянного тока наиболее полно отвечали требованиям, предъявляемым к рассматриваемым электроприводам по диапазону регулирования скорости, обладали приемлемыми регулировочными и механическими характеристиками. Однако, как показала многолетняя практика предприятий шинного производства, эксплуатация приводов постоянного тока сопряжена со значительными трудозатратами при обслуживании машин постоянного тока.[4] Это объясняется быстрым износом коллекторно-щеточного механизма в условиях агрессивной среды производственных помещений, где присутствует токопроводящая мелкодисперсная пыль; повышенной энергоемкости машины и необходимостью периодической установки и настройки громоздкого коллекторно-щеточного механизма для машин большой и средней мощности. Кроме этого, машина постоянного тока весьма критична к изменению тока якоря в моменты коммутации, что ведет к искрению на коллекторе из-за несимметрии магнитного поля машины. Также определенные трудности эксплуатации обусловлены сложностью подбора необходимых электрических щеток с учетом их физико-механических характеристик и конкретных условий работы.
Трудности, связанные с эксплуатацией приводов постоянного тока определяют необходимость реконструкции и модернизации существующих электроприводов. В настоящее время наметилась устойчивая тенденция модернизации эксплуатируемых систем путем замены электропривода постоянного тока на частотно-регулируемый асинхронный привод, являющийся на данный момент наиболее перспективным средством управления современных технологических установок.[4] Но следует также учесть, что реконструкция сопряжена с особыми требованиями, выдвигаемыми при выборе асинхронной машины. Задача выбора заключается в поиске такого двигателя, который обеспечивает заданный технологический цикл работы установки, соответствует условиям окружающей среды и при этом имеет допустимый нагрев [1], а также его применение позволяет сохранить существующие кинематические цепи и компоновку с отдельными узлами установки без изменения.
Так, на ОАО «Нижнекамскшина» в рамках мероприятий по реконструкции и модернизации электропривода экструдера поточной линии по производству профилированных деталей «КАМА-8» авторами статьи были
проведены аналитико-расчетные и экспериментально-натурные исследования. В ходе работ [2] были сняты характеристики привода экструдера при переработке резиновых смесей различной степени вязкости. Проектный привод установки осуществлялся двигателем постоянного тока импортным двигателем мощностью 250 кВт, частотой вращения 1500 об/мин и номинальным моментом 1,6 кНм. По экспериментальным данным были получены графики зависимостей М = /(И) привода, в системе координат которых можно отметить область «С», образованную множеством точек, соответствующих различным режимам работы двигателя (рис. 2). Анализ технических параметров области «С» показывает, что эксплуатируемый двигатель работал на скоростях не более 750 об/мин, обеспечивая при этом необходимую компенсацию момента сопротивления на валу червяка экс-трудера. Вместе с тем, эксплуатируемый привод работал практически с двойным запасом по скорости. Из анализа технологических показателей области «С» вытекают следующие требования к проектируемому приводу:
1) модернизированный привод должен иметь верхний предел частоты вращения не более 750 об/мин при выпуске основных типов технологических деталей;
2) номинальный момент двигателя проектируемого привода должен иметь величину момента соизмеримую с величиной момента эксплуатируемого двигателя.
3) согласно технологическим требованиям проектируемый электропривод должен иметь возможность работы с частотами вращения до 1000 об/мин при минимальных нагрузках на валу.
Методика выбора двигателя основана на последовательном переборе стандартной линейки мощностей двигателей. Был рассмотрен ряд мощностей двигателей с номинальной скоростью вращения 750 об/мин по каталогу [5], для ряда машин вычислены номинальные моменты двигателей. Расчетные результаты отражены на диаграмме (рис. 2), а именно:
- точка «Б» - Рном. = 250 кВт, Мном. ~ 3,18 кНм, ^ом ~ 750 об/мин;
- точка «Е» - Рном. = 200 кВт, Мном. ~ 2,5 кНм, ^ом ~ 750 об/мин;
- точка «Б» - Рном. = 160 кВт, Мном. ~ 2,0 кНм, ^ом ~ 750 об/мин;
- точка «О» - Рном. = 132 кВт, Мном. ~ 1,65 кНм, ^ом ~ 750 об/мин;
- точка «Н» - Рном. = 110 кВт, Мном. ~ 1,6 кНм, ^ом ~ 750 об/мин.
Все двигатели удовлетворяют условию Мном. дв > Ммах. сопрот. ~ 1,4
кНм. При этом следует учитывать, что для двигателя мощностью110 кВт, номинальный момент будет меньше, чем момент эксплуатируемого двигателя, по указанной причине этот вариант не рассматривается.
Рис. 2. Экспериментальная зависимость М = /(М)
Окончательно возможность работы двигателей при скорости выше основной определяем при условии, что номинальный момент снижается в обратно пропорциональной зависимости от частоты, а в то же время критический момент уменьшается обратно пропорционально квадрату частоты:
50
'/>50 = М/=50~
М- = М™ — ; (2)
* г крит _ -к* крит
М />50 = М /=50
/ />50
г У ' 50
(3)
V / >50 у
Для расчета критического момента, принимая значение кратности критического момента КМ = 2,0, что не мнее величины КМ для большинства стандартных двигателей. Исходя из этих услдовий проведен расчет критических и номинальных моментов для ряда частот (60, 70, 80, 90, 100 Гц), а также вычислены номинальные и критические моменты двигателей в различных режимах, (характерные точки изображены на рис.2), проверена возможность работы двигателя на частоте вращения 1000 об/мин, что соответствует частоте питания порядка 70 Гц. Область допустимых значений скорости для двигателя принимается с учётом соотношения
Мкр. >1,3 Мном. (4)
На рис. 2 обозначены точки пересечения номинальных и критических моментов для работы двигателя с частотой выше 50 Гц при частотах вращения N=1000 об/мин, а именно: - для двигателя 250 кВт:
точка «а1» - критический момент при работе двигателя на частоте Г = 70Гц, Мкр 70 = 3,6 кНм, точка «а2» - номинальный момент при работе дви-
гателя на частоте f =70Гц, Мном. 70 = 2,4 кНм, кратность Мкр 70 / Мном. 70 = 1,5, что удовлетворяет условию (4) работы двигателя на этой частоте;
- для двигателя 200 кВт:
точка «в1» - критический момент при работе двигателя на частоте f = 70Гц, Мкр 70 = 2,86 кНм, точка «в2» - номинальный момент при работе двигателя на частоте f = 70Гц, Мном. 70 = 1,88 кНм, кратность Мкр 70 / Мном. 70 = 1,52, что удовлетворяет условию (4) работы двигателя на этой частоте;
- для двигателя 160 кВт:
точка «с1» - критический момент при работе двигателя на частоте f =70Гц, Мкр 70 = 2,29 кНм, точка «с2» - номинальный момент при работе двигателя на частоте f =70Гц, Мном. 70 = 1,51 кНм, кратность Мкр 70 / Мном. 70 = 1,51, что удовлетворяет условию (4) работы двигателя на этой частоте;
- для двигателя 132 кВт:
точка «d1» - критический момент при работе двигателя на частоте f =70Гц, Мкр 70 = 1,88 кНм , точка «d2» - номинальный момент при работе двигателя на частоте f = 70 Гц, Мном. 70 = 1,24 кНм, кратность Мкр 70 / Мном. 70 = 1,51, что удовлетворяет условию (4) работы двигателя на этой частоте.
Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что для двигателей с мощностью 132 кВт и 160 кВт на частоте вращения 1000 об/мин номинальный момент Мном. =1,52 кНм по величине меньше, чем номинальный момент эксплуатируемого двигателея Мном. =1,6 кНм. Наиболее приемлемым двигателем, отвечающим вышеприведенным требованиям, является двигатель мощностью 200 кВт с номинальным моментом Мном.70 =1,88 кНм на частоте f=70 Гц и номинальным моментом Мном. = 2,5 кНм на частоте f=50 Гц.
Альтернативой используемому приводу по системе тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока может служить электропривод, выполненный по системе ПЧ-АД с обратной связью по скорости. В качестве приводной машины можно принять электродвигатель для частотного регулирования AMTK255MLA8 производства ООО «Кранрос», номинальной мощностью 200 кВт и частотой вращения 743 об/мин. [5]
Номинальный момент двигателя AMTK255MLA8 составляет 2,57 кНм, что создает запас по моменту, в связи с чем двигатель будет более эффективно использоваться по мощности при номинальной частоте питающего напряжения 50 Гц. КПД такой системы электропривода теоретически может быть близок к паспортному значению выбираемой машины (порядка 0,9), в соответствии с известной зависимостью п(Р).
Для поддержания постоянного крутящего момента двигателя целесообразным является использование системы автоматического управления электроприводом, в котором реализована возможность векторного управления координат электропривода. В силу сложившихся на ОАО «Нижне-камскшина» традиций в этом случае применён частотный преобразователь FR-A740 фирмы "Mitsubishi" мощностью 200 кВт, в котором заложена техническая возможность реализации обратной связи по скорости.
Исходя из накопленного технического опыта эксплуатации электрооборудования шинной промышленности, а также из результатов исследований аналогичных электроприводов экструдеров, можно сделать следующие выводы:
1. Из практики выбора электрических машин становится очевидным, что электроприводы, используемые в настоящее время в технологических установках, зачастую не соответствует требуемым условиям эксплуатации и технологическому регламенту.
2. В условиях возросших требований к энергоэффективности электропривода, когда вопросы энергосбережения являются определяющими при выборе двигателя, в процессе модернизации и реконструкции оборудования требуется системный подход и подбор машины в соответствии с критерием «цена/качество», путем проведения предварительного анализа работы электрооборудования, расчетно-аналитических и экспериментальных исследований, на основании которых должно выбираться новое оборудование для целей модернизации.
Список литературы
1. Проведение предремонтных инструментальных испытаний и регламентный контроль электроприводов поточной линии по выпуску протекторов ИРУ-16Б: отчет о НИР / Нижнекамский химико-технол. ин-т. Нижнекамск, 2009. 142 с.
2. Асинхронный электропривод с частотным управлением экстру-дера линии КАМА-8 завода грузовых шин ОАО «Нижнекамскшина»: технический проект 70.059.00.00.000/ разраб.ООО «Контакт-М». Ульяновск, 2006. 305 с.
3. Раувендааль К. Экструзия полимеров; пер. с англ. под ред. А. Я. Малкина. СПб.: Профессия, 2008. 768 с.
4. Горбачевский Н. И., Сабаев К. Н. Энергосберегающие технологии в электроприводе // Вопросы теории и проектирования электрических машин: сб. науч. тр. Ульяновск: Ульяновский гос. техн. ун-т, 2009. С. 65-68.
5. Крановые электродвигатели серии АМТК-F для применения с преобразователями частоты / ООО «Кранрос». Челябинск, 2008. 31 с.
N. Gorbachevskui, R Ganiev, V. Platov
Problems of modernization of electric drives of technological installations extrusion type
The technical features of electric drives of extruders are analyzed on base experimental and accounting data. The main positions are determined on modernizations exploited electric drives. A method of the choice of the electric machines with variable nature of the load is shown.
Keywords: the electric drive extruder, electric cars of installations with резкопеременным character of loading.
Получено 06.07.10
