CC BY
15
УДК 62-555.62
A.С. Моторкин, A.S. Motorkin, e-mail: sasha521635@mail.ru
B.С. Евдокимов, V.S. Evdokimov e-mail: omgtu_evdokimov@mail.ru Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия Omsk State Technical University, Omsk, Russia
УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ИНДУКЦИОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ КОМПРЕССОРА, С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ХОЛОДИЛЬНОГО АГЕНТА
APPARATUS FOR CONTROLLING AN INDUCTION MOTOR OF A COMPRESSOR, TO IMPROVE ENERGY EFFICIENCY REFRIGERANT
В данной статье рассматривается создание автоматизированной системы управления энергоэффективностью и энергосбережением.
This article describes how to create an automated system to manage energy efficiency and energy conservation.
Ключевые слова: компрессор, управление, энергоэффективность Keywords: compressor, control, energy efficiency
Энергоэффективность и энергосбережение входят в 5 стратегических направлений приоритетного технологического развития, обозначенных премьер-министром России Д. А. Медведевым на заседании Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России[1].
Одна из важнейших стратегических задач страны, которую поставил премьер в своём указе — сократить к 2020 году энергоёмкость отечественной экономики на 40%. Для её реализации необходимо создание совершенной системы управления энергоэффективностью и энергосбережением [2].
Несмотря на кажущуюся значительную стоимость современных преобразователей, окупаемость вложенных средств за счёт экономии энергоресурсов и других составляющих эффективности не превышает в среднем 1,5 лет. Это вполне реальные сроки, а учитывая многолетний ресурс подобной техники, можно подсчитать ожидаемую экономию на длительный период и принять правильное решение.
На базе ОмГТУ кафедры ХКТиТ было создано и проведены исследования электронного устройства для контроля заданных точек по температурному параметру, а также для передачи команд управления на исполнительные устройства, на частотный преобразователь электродвигателя холодильного компрессора, изменяя его производительность, с целью повышения энергоэффективности агрегата. Объектом исследования стал компрессорно-конденсаторный агрегат Danfoss SC10CMXNO.
Характеристика электродвигателя мотор-компрессора Danfoss SC10C:
Напряжение: 187-254 В
Частота: 50 Гц
Тип электродвигателя: индукционный режим с конденсаторным пуском CSIR, высокий пусковой момент
Рис. 1. Разрез мотор-компрессора Danfoss SC10C
Датчики температуры установлены в следующих контрольных точках:
1. Наружная поверхность конденсатора;
2. Наружная поверхность испарителя;
3. Поверхность корпуса мотор-компрессора;
4. Поверхность охлаждаемого объекта.
Данные с датчиков верифицировались с помощью прибора, предназначенного для проведения высокоточных измерений температуры МИТ-12 (Рис. 4., поз. 4), производства ОАО НПП ЭТАЛОН [3].
В зависимости от температуры на данных точках компрессор должен изменять свою производительность, для этого применяется частотный преобразователь. Как правило, мощность частотного преобразователя подбирается равной мощности электродвигателя. Это правило распространяется на электродвигатели с номинальным количеством оборотов 1500 и
3000 оборотов в минуту [4]. При использовании других электродвигателей или в некоторых особых случаях применения выбор частотного преобразователя (инвертера) должен соответствовать следующему условию: номинальный выходной ток частотного преобразователя должен быть не меньше, а лучше - чуть больше, номинального тока электродвигателя.
При использовании преобразователя частоты появляются следующие технические возможности:
• регулирование скорости от нуля до номинальной и выше номинальной;
• плавный разгон и торможение;
• ограничение тока на уровне номинального в пусковых, рабочих и аварийных режимах;
• увеличение срока службы механической и электрической частей оборудования;
Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых модулях находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока. В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе, фильтруется фильтром, сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению КПД и к некоторому ухудшению массо-габаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.
Рис. 2. Функциональная схема преобразователя частоты, выполненного по схеме источника тока
Для формирования синусоидального переменного напряжения используют автономный инвертор, который формирует электрическое напряжение заданной формы на обмотках электродвигателя (как правило, методом широтно-импульсной модуляции). В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.
Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия. Они имеют более высокий КПД (до 98 %) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах.
Для управления и сбора информации с датчиков и передачи телеметрической информации на ЭВМ было разработано устройство, схема которого представлена на рис.3.
Данная схема имеет развитую архитектуру, в ней используется программируемый 8-битный высокопроизводительный микроконтроллер PIC 18F252. В ней реализовано усиление входящего сигнала до 256 раз, что значительно повышает точность измерения. Подключение к ЭВМ происходит через COM-порт, протокол RS-232. Блок-схема электронного устройства представлена на рис. 4.
Рис. 3. Принципиальная схема устройства
Рис. 4. Блок-схема устройства
Основываясь на собранных данный и наработках, собираем действующую схему устройства (Рис. 5).
Узлы стенда:
1. Компрессорно-конденсаторный агрегат
2. Предлагаемое устройство
3. Исполнительное устройство частотного преобразователя
4. Измеритель температуры
5. Плата подключения датчиков
6. Регулятор температуры
7. Согласующее устройство
Для снятия показаний с датчиков и управления нагрузкой была разработана компьютерная программа на языке программирования DELPHI. Упрощенный алгоритм программы выполнения измерения температуры представлена на рис. 6, интерфейс программы, представленный на рис.7, позволяет производить замер температуры с минимальным интервалом 0,1 секунды, который отображается как в виде данных, так и в виде графика. Программа способна выдавать управляющий сигнал на исполнительные устройства, включая исполнительное устройство частотного преобразователя по команде или по заданным параметрам.
Принцип действия: Полученные данные о давлении и температуре на всасывании и нагнетании компрессоров программа сравнивает с установленными предельными значениями. Компрессор выключается при достижении предельно низкого давления всасывания. При достижении предельно низкой температуры на всасывании и предельно высоких температуры и давления на нагнетании выключает компрессор и выдает сообщение об аварийной остановке соответствующего компрессора. Если давление в системе холодильной установки ниже давления насыщения хладагента программа блокирует запуск установки и выдаст сообщение об утечке и необходимости ремонта и дозаправки системы. Для датчика температуры на объекте охлаждения устанавливается температура воздуха и дифференциал этой температуры. При достижении указанной температуры компрессор включается. Включение происходит при повышении температуры на величину указанного дифференциала. Так же программируется время запуска и остановки; расписание поддержания необходимой температуры по недельному или иному графику. Представляется возможным также подобрать оптимальную частоту вращения ротора электродвигателя мотор-компрессора, установив необходимую производительность, что увеличивает эффективность работы агрегата и оптимизирует рабочий цикл электродвигателя.
Частотный преобразователь необходим для решения стандартных проблем практически любого предприятия или организации, например таких как:
• экономия энергоресурсов;
• снижение затрат на плановые ремонтные работы и капитальный ремонт;
• увеличение срока службы технологического оборудования;
• обеспечение оперативного управления и достоверного контроля за ходом выполнения технологических процессов.
Рис. 6. Упрощенный алгоритм
Отличительные особенности и преимущества:
• Частотные преобразователи позволяют регулировать частоту трехфазного напряжения питания управляемого двигателя в пределах от нуля до 400 Гц.
• Разгон и торможение двигателя осуществляется плавно, при необходимости по линейному закону от времени. Время разгона и (или) время торможения от 0,01 с до 50 мин.
Реверс двигателя, при необходимости с измерения температуры, плавным торможением и плавным разгоном до заданной скорости противоположного направления.
• В преобразователях предусмотрены настраиваемые электронные самозащиты и защиты двигателей от перегрузки по току, перегревах, утечках на землю и обрывах линий питания двигателей.
• Частотные преобразователи позволяют отслеживать с отображением на цифровом индикаторе и формированием соответствующего выходного сигнала о заданном основном параметре системы - частоте питающего двигатель напряжения, скорости двигателя, ток или напряжение двигателя, состояние преобразователя и т.п.
• В зависимости от вида нагрузки двигателей в преобразователях можно формировать требуемые вольт-частотные выходные характеристики.
• В наиболее совершенных преобразователях реализовано векторное управление, позволяющее работать с полным моментом двигателя в области нулевых частот, поддерживать скорость при переменной нагрузке без датчиков обратной связи, точно контролировать момент на валу двигателя.
V-1&
____________„.„ ¡п. 2 г _______—..„.. г-.йггдя.— ...._________ .__„
г=гг =Ег Еггггг.... .____________________ ЕГггггг-.„„ ........ ........... „,.-.-
"и:::";::..... _„..„.....„_ _....... гГггггг.... —.„,«._______________....
Еггхгй— _________________ г-и:: г:: г г. -.. - ........................ „ ..„.
3= ¡ггкгггй.-. _____________..._________ г:' . .......
—*л—»
Рис. 7. Интерфейс программы выполнения
Библиографический список
1. Выступление Дмитрия Медведева в послании к Федеральному Собранию РФ. 24 декабря 2008 г.
2. Д. А. Медведевым на заседании Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики Российской Федерации. 18 июня 2008 г.
3. МИТ- 12ТС-21. ,Руководство по эксплуатации - МКСН404455РЭ / ОАО НПП «ЭТАЛОН», Омск, 2010 г.
4. Руководство по проектированию промышленных холодильных систем / ООО «Данфосс». - Москва, 2006. - 107 с.
5. Быков А.В. Холодильная техника. Холодильные компрессора. Справочник. - Москва: Легкая и пищевая промышленность, 1981.
313 19
6. Холодильные машины: / Н.Н. Кошкин, И.А. Сакун, Е.М. Бамбушек, Н.Н. Бухарин, Е.Д. Герасимов, А.Я. Ильин, В.И. Пекарев, А.К. Стукаленко, Л.С. Тимофеевский - Ленинград: Машиностроение, 1985. - 510 с.
7. Электродвигатели Grundfos, GRUNDFOS Management A/S. - М., 2006. - 240 с.
8. Применение средств автоматизации Danfoss в тепловых пунктах систем централизованного теплоснабжения зданий: пособие / ООО «Данфосс». - Москва, 2013.
9. Руководство по проектированию Привод VLT® Micro2012 ООО «Данфосс». - Москва, 2013.
10. Система автоматического мониторинга с удаленным доступом для холодильных и компрессорных систем / В.С. Евдокимов, А.Н. Фот, И.П. Аистов, В.Д. Галдин, В.Н. Костюков // Омский научный вестник. - 2012. - № 2 (110). - С. 166-172.
11. Патент 108051 Российская Федерация, МПК E02D3/115. Устройство для аккумуляции холода / В.А. Максименко, В.С. Евдокимов, А.М. Костин, А.С. Губанов. Заявитель Ом. гос. техн. ун-т. - №2011115576/03; заявл. 20.04.2011; опубл. 10.09.2011.
