CC BY
61
И.П. Маслов
Ж
к ^шш
кж
начальник производства ООО «Кузбасский региональный горный Центр охраны труда»
И.Ю. Семыкина
канд. техн. наук, доцент, и. о. директора Института энергетики ФБГОУ ВПО «КузГТУ имени Т. Ф. Горбачева^), доцент кафедры ФГБАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет
УДК 622.23.05
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ПУСКА ВЕНТИЛЯТОРА МЕСТНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
В статье рассматривается динамика переходных процессов для возможных вариантов пуска вентилятора местного проветривания с электрическим приводом, а также производится сравнение энергоэффективности этих вариантов пуска.
Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук (шифр МК-1963.2013.8).
Ключевые слова: ВЕНТИЛЯТОР МЕСТНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОД, ЧАСТОТНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ, ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ, БЕЗОПАСНОСТЬ
Рост производительности горнодобывающих предприятий влечет за собой повышенный риск возникновения аварийных ситуаций. В частности, увеличивается скорость проходки подготовительных выработок, что вызывает повышенное выделение метана и других газов из горных пород. Для создания безопасных условий труда рабочих, а также поддержания и дальнейшего роста производительности необходимо обеспечивать нормальные условия рудничной атмосферы.
Увеличение мощностей оборудования, в том числе систем проветривания, на предприятиях горнодобывающей промышленности приводит также к росту энергопотребления. Одним из приоритетных направлений Правительства согласно [1] является снижение энергоемкости валового внутреннего продукта Росси, в частности «... предусмотрены мероприятия ... по внедрению инновационных технологий и нового прогрессивного оборудования во всех отраслях российской экономики.».
Таким образом, внедрение современных способов управления вентиляционным обору-
дованием, которое в основном имеет электрический привод, и правильная организации режимов проветривания тупиковых выработок позволят не только повысить безопасность, но и снизить энергоемкость ведения горных работ, что соответствует выбранному курсу Правительства РФ.
Параметры проветривания тупиковых выработок определяются работой вентиляторов местного проветривания (ВМП), для которых предусмотрено два основных режима функционирования:
1) нормальная работа основного (резервного) ВМП с непрерывным автоматическим контролем проветривания призабойной области;
2) контроль и управление рабочим и резервным ВМП при их включении в штатном либо аварийном режимах.
Способы пуска ВМП с электрическим приводом регламентируются Положением об аэрогазовом контроле в угольных шахтах [2]:
1. Импульсный пуск с использованием пускателей: длительность импульса в диапазоне от 1,5 до 3,0 секунд; длительность паузы между импульсами от 6 до 10 секунд; число импульсов
67
от 3 до 10 шт.
2. Плавный пуск при использовании частотных преобразователей: длительность разгона двигателя в диапазоне от 30 до 120 секунд.
3. Прямой пуск резервного ВМП при отключении рабочего, осуществляется автоматически, без плавного заполнения воздуховода.
Способы 1 и 2 предусматривают плавное заполнение трубопровода воздухом для предотвращения гидроудара, а запуск по способу 3 осуществляется при отключении рабочего вентилятора в течение времени, не превышающего 10 с, что исключает возможность возникновения гидроудара. Однако при близкой для всех способов запуска эффективности по использованию ресурса вентиляционного оборудования способ 2 обеспечивает плавное увеличение подводимого к двигателю напряжения, что ведет к снижению пусковых токов и динамических нагрузок на электродвигатель, увеличивая срок его службы.
В качестве объекта исследования для сравнения представленных способов запуска ВМП с точки зрения энергоэффективности рассмотрим вентилятор местного проветривания ВМЭ-6, технические характеристики которого представлены в таблице 1, аэродинамические - на рисунке 1. Электропривод ВМЭ-6 построен на базе асинхронного двигателя (АД) марки ВРМ160М2 (табл. 2). Параметры схемы замещения, отсутствующие в паспорте АД, рассчитаны по методике, изложенной в [3].
Рисунок 1 - Аэродинамические характеристики вентилятора ВМЭ-6: РУ - полное давление вентилятора, Па; Р - подача вентилятора, м3/с; 1, 2 - соответственно один или два вентилятора ВМЭ-6, соединенных последовательно; 3, 4 - соответственно трубопроводы диаметром 600 и 800 мм
Для анализа динамки и энергопотребления при переходных процессах запуска ВМП используем математическую модель (рис. 2), реализованную в пакете прикладных программ Ма^аЬ. Модель включает в себя преобразователь частоты (ПЧ), питающий асинхронный электродвигатель привода ВМП, при работе которого ВМП создает воздушный поток, поступающий в вентиляционную сеть (ВС).
В модели используется математическое описание АД в виде дифференциальных уравнений обобщенной двухфазной машины переменного тока со стандартными допущениями [4], записанное для неподвижной системы координат:
(1)
где М - электромагнитный момент;
со - угловая скорость двигателя;
Ч>5Х, Ч^у - потокосцепления эквивалентных статорных контуров;
Ч'ях' Ч'кк - потокосцепления эквивалентных роторных контуров;
' л - эквивалентные токи статора;
'Л - эквивалентные токи ротора;
ГУ? Гу II'
¿5 = ¿д + 1а5, ¿к = ¿д + ьсК - индуктивность обмоток статора и ротора;
а = 1 - - коэффициент рассеяния;
р - число пар полюсов.
Помимо двигателя, в модель включены силовая и управляющая части ПЧ, реализация которых в Ма^аЬ показана на рисунке 3, где силовые ключи приняты идеализированными, а их коммутация производится по принципу независимой широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Управляющая часть включает в себя задатчик интенсивности, а также программируемое соотношение заданных частоты и амплитуды напряжения, реализуемых силовой частью ПЧ, т. е. произвольный закон частотного управления.
В модели применяется также упрощенное описание ВМП, представленное нелинейным элементом, преобразующим угловую скорость двигателя, т. е. скорость вращения вентилятора, в его подачу Ов.
ПЧ
и,
АД
ВМП
ВС
Рисунок 2 - Структура модели ВМП
Таблица 1 - Технические характеристики вентилятора ВМЭ-6
Параметр Значение
Номинальный диаметр, мм 630
Номинальная подача, м3/с 7
Номинальное полное давление, Па 2 500
Рабочее давление сжатого воздуха, МПа -
Максимальный расход сжатого воздуха, мз/с -
Максимальный полный КПД вентилятора, % 68
Уровень звуковой мощности, дБА 118
Электродвигатель 2ВРМ160М2
Уровень взрывозащиты АД РВ-3В
Степень защиты двигателя 1Р-54
Длина проветривания, м: - одним вентилятором - двумя вентиляторами 600 1 000
Сечение проветриваемых выработок, м2 10-14
Размеры изделия, мм: - высота - ширина 975 750
Масса комплекта, кг 420
Таблица 2 - Параметры электродвигателя ВРМ160М2
Параметр Значение
Мощность , кВт 25
Номинальное напряжение , В 380
Скольжение , % 2,6
Синхронная частота вращения , об/мин 3 000
КПД , % 91
0,88
Кратность начального пускового вращающего момента к номинальному 1,9
Кратность начального пускового тока к номинальному 6
Кратность минимального вращающего момента к номинальному 1,3
Кратность максимального вращающего момента к номинальному 2,5
Момент инерции, кг/м2 0,085
Удельная масса, кг/кВт 9,5
Радиальное усилие, воздействующее на рабочий конец вала, Н, не более 180
Осевое усилие, воздействующее на рабочий конец вала, Н, не более 950
Масса, кг 228+5%
Активное сопротивление фазы статора , Ом 0,455
Приведенное активное сопротивление ротора , Ом 0,413
Индуктивность рассеяния статора и ротора и , Гн 0,0048
Индуктивность взаимной индукции , Гн 0,698
Рисунок 3 - Статическая Аппроксимированное уравнение статической характеристики ВМП (рис. 4) имеет следующий вид:
= -0,00003со2 + 0,0203 а). (2) Подача ОВ определяет расход воздуха О на выходе из сети, а описание вентиляционной сети характеризует взаимосвязь этого расхода с изменением давления на каждом ее участке. Принимая допущение, что ни один из способов запуска ВМП не провоцирует гидроудара, а перемещение воздуха в воздуховоде носит ламинарный характер, опираясь на [5] в качестве описания ВС, в модель включено апериодическое звено первого порядка с передаточной функцией:
^вс_
(3)
WfecGO = ;
Твс " Р + 1'
где Твс - постоянная времени вентиляционной сети;
КВС - коэффициент усиления, определяемый по аэродинамическим характеристикам вентилятора.
Момент сопротивления Мс, действующий на ВМП, зависит от скорости вращения вентилятора и определяется исходя из характеристик вентилятора и вентиляционной сети, на которую он работает. Статические характеристики момента сопротивления АД, соответствующие граничным режимам работы в пределах рабочей зоны аэродинамической характеристики ВМП, показаны на рисунке 5, а их аппроксимированные уравнения имеют следующий вид:
1,0008бо2,
*с1
м
МС2(со) = 0,0007&>2, Мсз (со) = 0,000545со2 Mc4(cü) = 0,000475со2
(4)
Для анализа энергопотребления рассмотренных способов запуска ВМП необходимо определить энергетические показатели работы системы, в основу которых положено использование рекомендаций [6].
характеристика ВМП
з
ам-3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
0 50 100 150 200 250 300 рад/с Рисунок 4 - Статическая характеристика ВМП
L
/ /
/
/
300 со, рад/с
Рисунок 5 - Статические характеристики МС(ы)
Так, полезная мощность определяется выражением:
Р = шМС. (5)
пол С 4 '
Мощность механических потерь ЛРмех, электрических потерь ЛРэ и потерь в стали ЛРс определяются соответственно как:
Г)'2;
1 \l-ri) '
АРС = 0,2-РШ
где АР - мощность номинальных ме-
" мех.ном 1
ханических потерь, равная произведению ынМн; Р - номинальная мощность;
в) Рпол(9
Ж........Вт-с-105
10 15 20 25 30 35 40 45
Рисунок 6 - Результаты моделирования: 1 - Мк(ю)/Мс(ю)=сот1\ 2 - 3 - импульсный пуск
П - КПД, определяемое выражением:
пол полн
Р
п= Р /Р
пол
где Рмш
+АР , а АР = АР
потерь потерь
^^ПОЛН /д ^ПОЛН
100% (7)
- полная мощность, равная
+ АР + АР .
с э
Полная потребляемая энергия определяется интегрированием:
1 р_____лг
(8)
Сравнение энергетической эффективности производилось для способов 1 и 2 запуска ВМП по результатам моделирования, приведенным на рисунке 6. При этом плавный пуск при использовании ПЧ реализован для законов частотного управления U/f=const и Мк(т)/Мс(оэ)=соп8г, где Мк - максимальный вращающий момент (критический момент) АД.
При моделировании использовались параметры запуска, обеспечивающие близкое по длительности заполнение воздуховода. Для способа 2 заданное время пуска составляет 37 с, а для способа 1 задана следующая длительность импульсов: 1 импульс - 1,5 с; 2 - 2 с; 3 - 3 с; 4 - 3 с; 5 - 3 с, интервал между импульсами - 6 с.
По графику Wполн(t) видно, что потребление электроэнергии при импульсном запуске ВМП (3) выше, чем при частотном (1, 2). Это связано с существенным повышением АР , вызван-
потерь
ным превышением токов АД над номинальными значениями, характерным для прямого пуска и исключаемым для частотных способов (рис.6г). В установившемся же режиме потребление электроэнергии происходит с одинаковой интенсивностью, т. к. полезная мощность во всех рассмотренных вариантах имеет близкое значение, поскольку система выходит на номинальный режим работы.
Полезная энергия при частотных способах выше, так как на низких угловых скоростях момент сопротивления невелик и увеличивается по мере разгона, а законы частотного управления обеспечивают сообразное повышение амплитуды напряжения, подводимого к двигателю, тогда как при импульсном пуске к двигателю всегда подводится напряжение номинальной величины. Это же подтверждается стабильно более высоким КПД при частотном пуске (рис.6е).
Рассмотренные варианты частотного запуска ВМП обладают близкими энергетическими характеристиками. Однако следует отметить, что в общем случае для вентиляторной нагрузки закон частотного управления U/f=const формирует несколько больший электромагнитный момент на низких угловых скоростях, чем это требуется для преодоления момента сопротивления.
В результате моделирования по зависимости Wnom(t) можно определить количество энергии, потребленной за время запуска ВМП при различных способах, а также при его работе. Так, потребленная энергия при частотном запуске в условиях номинальной статической характеристики нагрузки составила 941 500 Втс, а при импульсном - 1 013 500 Втс. Следовательно, экономия энергии для одного запуска составляет 72 000 Втс или 0,02 кВтч, а при тарифе 2,4 рубля за кВтч электроэнергии исходя из регламента технического обслуживания вентиляционной сети экономия составляет 17,52 рубля в год.
Дополнительная экономия электроэнергии возникает в режиме ускорения заполнения воздуховода, когда обеспечивается минимально допустимая согласно [2] длительность запуска ВМП. В годовом эквиваленте эта экономия только от выбора частотного способа запуска составляет 1,63 рубля. Аналогично потребленная энергия при частотном запуске в условиях статической характеристики нагрузки, соответствующей пониженному режиму работы ВМП, составила 282 000 Втс, а при импульсном - 292 000 Втс, что соответствует экономии 2,4 рубля в год.
Потребляемая во время работы энергия изменяется в пределах от 36,7 до 27,9 кВт при различных характеристиках вентиляционной сети и режимах работы ВМП. При нормальном режиме возможно снизить потребление электроэнергии на 2,5 кВт путем исключения из вентиляционной сети дополнительных сопротивлений, то есть отказа от регулирования производительности вентилятора путем дросселирования, в пониженном режиме работы снижение сопротивления вентиляционной сети позволит получить максимальную экономию потребляемой электроэнергии - 1,8 кВт. Следует отметить, что общий уровень энергопотребления в существенно более широких пределах меняется при регулировании производительности вентилятора различными способами. Так, при работе с номинальной производительностью в пониженном режиме потребление электроэнергии на 8,8 кВт ниже, чем при работе с той же производительностью в нормальном режиме. А при работе с минимальной подачей, полученной путем регулирования производительности ВМП дроссели-рованнем, потребление электроэнергии составляет 19,2 кВт, в то же время, если регулировать производительность с помощью ПЧ, потребление энергии будет составлять 2,75 кВт, что дает существенную экономию, равную примерно 158 000 рублей в год.
72
Выводы
Результаты моделирования показали, что частотный способ пуска ВМП позволяет снизить динамические нагрузки на электродвигатель и вентиляционную установку в целом за счет более плавного заполнения вентиляционной сети. Это позволит уменьшить время запуска, снизить энергопотребление.
Из экономических расчетов следует, что применение частотного регулирования только для пуска нецелесообразно, так как экономия
электроэнергии незначительна и финансовые затраты на внедрение преобразователя частоты оказываются неоправданно велики по сравнению с экономическим эффектом.
Таким образом, целесообразным является применение преобразователя частоты не только для запуска ВМП, но и для регулирования производительности вентилятора, что поможет дополнительно сэкономить как электроэнергию, так и ресурс ВМП и ВС, тем самым повышая экономический эффект от внедрения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года : [гос. программа РФ: утв. распоряжением Правительства РФ от 27 декабря 2010 года, № 2446-р]. - Режим доступа: http://www.minenergo.gov.ru/activity/energoeffektivnost/documents/index.php?
2. Положение об аэрогазовом контроле в угольных шахтах : утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 1 декабря 2011 г. N 678. - Режим доступа: gosnadzor.ru/about_gosnadzor/legal/678.doc
3. Фираго, Б. И. Регулируемые электроприводы переменного тока / Б. И. Фираго, Л. Б. Павлячик. -Мн.:Техноперспектива, 2006. - 363 с.
4. Копылов, И. П. Математическое моделирование электрических машин / И. П. Копылов. - М.: Высшая школа, 1987. - 247 с.
5. Ушаков, К. З. Аэрология горных предприятий / К. З. Ушаков, А. С. Бурчаков, Л. А. Пучков, И. И. Медведев. - М. : Недра, 1987. - 421 с.
6. Браславский, И. Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / И. Я. Браславский, 3. Ш. Ишматов, В. Н. Поляков. - М.: Академия, 2004. - 256 с.
MATHEMATICAL MODELING OF ELECTRICALLY DRIVEN LOCAL VENTILATION FAN START UP
I. P. Maslov, I. Yu. Semykina
The article reviews the dynamics of transient processes for possible variants of local ventilation fan with electric drive starting, also comparison of energy efficiency of these start variants is made.
The work was done with financial support of Russian Federation Ministry of Education and Science within the Russian Federation Presidential grant for the state support of young Russian scientists - candidates of sciences (code MK-1963.2013.8).
Key words: LOCAL VENTILATION FAN, ELECTRIC DRIVE, FREQUENCY CONTROL, ENERGY EFFICIENCY, SAFETY
Маслов Иван Петрович e -mail: [email protected]
Семыкина Ирина Юрьевна e -mail: [email protected]
