Диплом (1235207), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Самую серьезную проблему представляет влажность, не только сама по себе, а еще и потому, что в воде растворяются практически все примеси, содержащиеся в воздухе.

Получившаяся в результате этого растворения агрессивная смесь вызывает коррозию в компрессоре и трубопроводах, окисляющиеся частицы и продукты коррозии переносятся к оборудованию, потребляющему сжатый воздух, вызывая его преждевременный износ.

Вода присутствует в воздухе в жидкой и газообразной фазах, т. е. в виде капель с конденсированной воды и водяного пара. Отделение капельной влаги происходит в циклонном сепараторе, установленном на выходе компрессора. Сжатый воздух с капельками воды попадает в циклон, где он вовлекается во вращательное движение высокой скорости. Под воздействием мощных центробежных сил капельки жидкости оседают на стенках сепаратора и стекают в коллектор. Коллектор оборудуется конденсатоотводчиком.

Появление конденсата связано и с утечками воздуха: из компрессора, ресивера,осушителя и фильтров. Для слива конденсата применяют различные устройства: ручные, поплавковые, таймерные и электронные. Основным преимуществом электронных систем является то, что благодаря встроенной системе измерения уровня жидкости в приемной камере они не допускают ни малейшей потери сжатого воздуха, открывая клапан только для слива жидкости.

Кроме воды из жидких примесей в сжатом воздухе вырабатываемом маслосмазываемыми компрессорами (а таких большинство), обязательно присутствует масло в капельном виде. Это масло неизбежно загрязняет отводимый конденсат.

Экологические нормы постоянно ужесточаются, поэтому для отчистки конденсата от масла применяются водно-масляные сепараторы для обработки конденсата перед сбросом его в канализацию. В их работу заложено три принципа: флотация, абсорбция и мембранная фильтрация.

В простых системах конденсат сбрасывается во флотационную камеру, где отделяется крупнокапельное масло, далее он проходит сквозь волокнистый материал, поглощающий частички масляной эмульсии, и окончательно очищается в угольном отделении, такая система требует периодической смены пакетов-картриджей с волокнистым материалом и активированным углем.

Значительная часть воды в сжатом воздухе присутствует в газообразном виде (водяной пар), в самом компрессоре эта вода, как правило, не конденсируется из-за высокой температуры, получаемого сжатого воздуха, но по мере распространения по пневмосетям воздух охлаждается, водяной пар, содержащийся в нём переходит в жидкую фазу и выпадает в виде конденсата, со всеми вытекающими из этого отрицательными последствиями. Водяной пар удаляется из воздуха с помощью специальных устройств – осушителей.

Кроме «жидких» примесей в воздухе может находится и большое количество различных механических частиц различных размеров, главным образом это пылевые частицы. Некоторые из них связываются или даже растворяются в воде и масле и удаляются вместе с конденсатом, другие необходимо удалять путём фильтрации.

В общем случае различные технологии, оборудование, инструменты требуют воздуха различного давления и различного качества. Если ориентироваться на выработку воздуха максимально-требуемого давления и качества для всех имеющихся потребителей, то есть серьёзный риск создать дорогую и неэффективную пневмосистему, так как каждый избыточный 1 бар давления нагнетания увеличивает удельные энерго-затраты на 6-8%, да и затраты на подготовку воздуха увеличиваются пропорционально увеличению его качества.

Все вышеперечисленные факторы позволили винтовым компрессорам утвердиться и на российском рынке. Как и за рубежом, сейчас найдется мало предприятий, приобретающих новый поршневой компрессор с производительностью более 2 м³/мин на стандартное промышленное давление.

2.2 Обзор регулируемых электроприводов

Известно, что в регулируемых электроприводах с асинхронными и синхронными двигателями применяют преобразователи частоты (ПЧ) трех видов:

• двухзвенные с автономным инвертором напряжения (ПЧ АИН);

• двухзвенные с автономным инвертором тока (ПЧ АИТ).

Основные достоинства ПЧ АИН:

• сила тока нагрузки изменяется практически по синусоидальному закону;

• широкий диапазон выходных частот (практически от 0 до 1000 Гц).

Основной недостаток ПЧ АИН - недостаточная электромагнитная совместимость с сетью.

Главное отличие схемы АИТ от АИН заключа­ется в отсутствии шунтирующих обратных диодов. Вследствие этого можно изменить полярность напряжения на входе АИТ и при неизменном направлении силы тока перевести двигатель в генераторный режим. Таким образом, при потреблении энергии из сети выпрямитель работает в режиме выпрямления, АИТ - в режиме инвертирования, электрическая машина - в двигательном режиме в первом или третьем квадрантах электромеханических координат при частоте f₂ и напряжении U₂.

Если двигатель при частоте f₂ и напряжении U₂ переходит в генераторную область (второй или четвертый квадранты электро-механических координат), то АИТ должен работать управляемым выпрямителем. Направление силы тока в этом контуре не изменяется, а управляемый выпрямитель переводится в инверторный режим.

Основные достоинства ПЧ АИТ:

• возможность рекуперации энергии в сеть;

• выходное напряжение изменяется почти по синусоидальному закону;

• безаварийность режима короткого замыкания на выходе.

Основные недостатки ПЧ АИТ:

• ограничение верхнего уровня диапазона регулирования выходной частоты (обычно f_2max=100...125 Гц);

• коммутационные перенапряжения на тиристорах АИТ.

Описанные выше свойства ПЧ определяют области их применения. Крупные фирмы-производители, специализирующиеся на выпуске широкой номенклатуры электротехнической продукции (электрические машины, ПЧ, коммутационная аппаратура, элементы силовой и информационной электроники и т.п.), выпускают практически все типы ПЧ в полном диапазоне мощностей и напряжений.

Основные области применения мощных ПЧ различных фирм:

• нефте- и газодобыча;

• транспортирование нефти и газа;

• горно-добывающая промышленность;

• химическая промышленность.

Электроприводы с мощными ПЧ устанавливают на крупных, часто уникальных установках. Привязка, монтаж и наладка обеспечивается или фирмой-производителем, или специализированными организациями. Как правило, в контракт на такие поставки включается обучение персонала заказчика приемам эксплуатации и гарантированное техническое обслуживание ПЧ в течение определенного срока.

Сегодня ПЧ АИН, выполнен­ные на IGBT-модулях, находят массовое применение в электроприводах самых различных отраслей промышленности. Множество фирм-производителей ПЧ АИН непрерывно расширяют их номенклатуру и объем выпуска и придерживаются технологий поставки, свойственных массовой продукции. Потребители этой массовой продукции зачастую испытывают необходимость в четких ориентирах и критериях при выборе конкретного типа ПЧ, поэтому рассмотрим особенности устройства, характеристик и эксплуатации именно ПЧ АИН.

2.2.1 Выбор типа преобразователей для частотно-регулируемых электроприводов

Выбор типа преобразователя для частотно-регулируемого привода связан, в первую очередь, с решением задачи компенсации реактивной мощности нагрузки. Любой автономный инвертор как ключевой коммутатор при работе на индуктивную нагрузку должен содержать в своем составе конденсаторы в качестве энергопоглотителей для исключения перенапряжений при мгновенной коммутации тока с фазы на фазу двигателя. В автономном инверторе тока такие конденсаторы находятся на стороне нагрузки (на стороне переменного тока). Как любой токовый источник подобного типа они содержали в звене постоянного тока дроссель большой индуктивности, работающий как фильтр. Схемная модификация первых АИТ, в которой компенсирующие конденсаторы через мост обратных диодов были вынесены на сторону постоянного тока, получила в дальнейшем название автономного инвертора напряжения АИН, поскольку, оказавшись на входе инвертора, конденсаторы стали одновременно играть роль С-фильтра, придав такому инвертору свойства источника напряжения. На протяжении нескольких десятилетий именно вид входного фильтра являлся основным классификационным признаком АИТ и АИН.

По структуре АИТ и АИН относятся к двухзвенным преобразователям, которые состоят из нерегулируемых источников постоянного тока (выпрямителей) и преобразователей частоты (инверторов).

Все известные типы двухзвенных преобразователей частоты при прочих равных потребительских характеристиках (габаритные размеры, масса, цена, надежность, простота обслуживания) следует сравнивать по трем основным критериям: электромагнитная совместимость с двигателем, электромагнитная совместимость с питающей сетью, элементная база силовой части собственно преобразователя.

2.2.2 Электромагнитная совместимость системы «преобразователь частоты – асинхронный двигатель» при импульсной модуляции

В АИН формирование выходных сигналов осуществляется методами широтно-импульсной модуляции прямоугольной формы одинаковой амплитуды, по разной длительности, полезная составляющая которой имеет форму синусоиды заданной частоты и амплитуды. Крутизна фронта t₁ импульсов определяется скоростью переключения импульсов напряжения силовых ключей автономных инверторов напряжения (рисунок 2.1).

При использовании различных полупроводниковых приборов она составляет:

• однооперационные тиристоры SCR – 4÷10 мкс;

• запираемые тиристоры GТО – 2÷4 мкс;

• силовые биполярные тиристоры GTR – 0,5÷2 мкс;

• транзисторы IGBT – 0,05÷ 0,1 мкс.

Существенно более высокое быстродействие IGBT-транзисторов, являющееся преимуществом для реализации высокочастотной ШИМ и минимизации потерь энергии в АИН и АД, негативно проявляется в протекании переходных процессов в цепи АИН - соединительный кабель – АД.

Прохождение импульсного сигнала с крутым фронтом вызывает волновые процессы в кабеле, приводящие к появлению перенапряжений на зажимах двигателя (рисунок 2.2).

Рисунок 2.1 – Выходное напряжение АИН с ШИМ

Рисунок 2.3 – Напряжение на зажимах АД при подключении «длинным кабелем»

Волны напряжения, поступающей на зажимы АД, носит характер затухающих колебаний. Под волновыми процессами следует понимать сложный комплекс физических явлений возникновения, распространения и быстрого изменения электромагнитного импульса вдоль цепи с распределенными параметрами (обмотка и магнитная система электрической машины).

Волновые процессы наиболее опасны для изоляции обмотки АД, так как в ней возникают значительные перенапряжения (до 1000 В при номинальном напряжении 400 В). При быстром нарастании напряженности электрического поля на фронте волны в изоляции машины возникают заметные диэлектрические потери. Увеличение несущей частоты ШИМ с целью улучшения энергетических показателей преобразователей частоты и приближения полезной составляющей выходного напряжения преобразователя к синусоиде также приводит к повышению вероятности возникновения перенапряжений и увеличению диэлектрических потерь. В результате этих процессов срок службы изоляции АД сокращается до 3 - 4 лет.

Что же касается формы тока, то состав высших гармоник на выходе АИН существенно хуже, чем на выходе АИТ, что вызывало на практике необходимость выбирать двигатель, питающийся от АИН на 1-2 ступени больше по мощности для исключения перегрева обмоток статора [25]. Пути улучшения гармонического состава выходного тока АИН были очевидны – это методы широтно-импульсной модуляции (ШИМ), прекрасно разработанные в теории, но плохо реализуемые на практике из-за отсутствия совершенных полностью управляемых приборов. Первым таким прибором стал IGBT, соединивший в себе достоинства биполярного и полевого транзисторов [26]. При этом разработчики преобразовательных схем прекрасно понимали, что конечной целью их работы является достижение электромагнитной совместимости преобразователя и двигателя. Казалось, IGBT-инвертор напряжения с ШИМ-управлением полностью решает эту задачу и «закрывает научный поиск» в области преобразователей частоты. Однако при практическом внедрении IGBT-инверторов оказалась сложнее. Методы ШИМ-управлсния, оказав благотворное влияние на выходной ток АИН и приблизив его к синусоиде, одновременно превратили ранее «безболезненную» для двигателя прямоугольную форму выходного напряжения в серию прямоугольных импульсов, следующих с высокой частотой и имеющих передний фронт высокой крутизны. Крайне негативное воздействие напряжения такой формы на изоляцию двигателя усугубляется проблемой «длинного кабеля». Наличие кабеля между преобразователем и двигателем приводит к тому, что на выводы двигателя поступает напряжение с пиками на фронтах, превышающими выходное напряжение инвертора, что также недопустимо для изоляции двигателя. Данные обстоятельства, вполне очевидные для любого разработчика электрических машин, в течение длительного времени «не рекламировались» потребителю. Этому имелось несколько причин. Во-первых, влияние на изоляцию двигателя имело временной характер, т.е. снижался срок службы двигателя, а пробой наблюдался не сразу, а через 3-5 лет эксплуатации. Во-вторых, первые IGBT-инверторы небольшой мощности часто можно было расположить близко к двигателю и свести к минимуму проблему длинной линии. В-третьих, очевидное средство улучшения качества выходного напряжения - LС или RLC - выходной фильтр, который хоть и являлся инородным элементом между преобразователем и двигателем, но для приборов малой мощности имел относительно небольшие размеры.

2.2.3 Электромагнитная совместимость автономного инвертора напряжения и автономного инвертора тока с питающей сетью

Необходимо рассмотреть два самостоятельных вопроса: высшие гармоники, генерируемые преобразователем в сеть (коэффициент искажений) и потребляемая из сети реактивная мощность (cosφ). В ПЧ с АИТ сетевой преобразователь представляет собой управляемый (тиристорный) выпрямитель, работающий на сглаживающий дроссель большой индуктивности (рисунок 2.3). В ПЧ с АИН сетевой преобразователь - это неуправляемый (диодный) выпрямитель, работающий на емкостный фильтр (рисунок 2.4). Высшие гармоники тока, генерируемые сетевым выпрямителем ПЧ с АИТ в питающую сеть, относительно невелики, поскольку ступенчато-прямоугольная форма входного тока обеспечивает реальный коэффициент не ниже 0,96 - 0,97. При правильном выборе согласующего трансформатора в мощных преобразователях или при установке входного реактора в преобразователях средней мощности коэффициент искажения напряжения в точке подключения без дополнительных мероприятий не превышает нормируемое значение 5%.

Характеристики

Список файлов ВКР