Вданной статье рассмотрены вопросы по разработке и исследовании асинхронного частотно-регулируемого электропривода воздушного компрессорного агрегата для условий Капчагайской ГЭС. Выполнены обоснование системы электропривода и выбор электродвигателя компрессора.
Ключевые слова: автоматизированный электропривод, компрессорные установки.
Целью данной работы считается модернизация компрессорной установки и разработка регулируемого электропривода невесомого компрессора, совершенствование надежности и энергетических характеристик, разработка средств, способов, методик подходящих воздействий на электромеханические системы устройств и агрегатов компрессорных станций, обеспечивающего увеличенные энерго и эксплуатационные способности при помощи передового цифрового и программного автоматического электропривода.
Компрессоры оборудовать приводами с переменной скоростью следует в условиях, когда потребности в сжатом воздухе существенно варьируют в течение дня и от одного дня к другому. В настоящее время для регулирования процесса компрессирования используют различные методы, как включение/отключение, модуляция, регулирование производительности и т. п. Однако если использование подобных методов приводит к частым включениям и отключениям, а также длительным периодам холостого хода, результатом может быть снижение энергоэффективности [3].
Чаще всего требуется, чтобы давление воздуха в сети потребителя поддерживалось постоянным при любых изменениях расхода. Чтобы обеспечить такое требование, применяют разные приемы, простейшим и наиболее эффективным из которых является изменение скорости вращения вала п. При использовании асинхронных электродвигателей задача изменения частоты вращения вала может быть решена с помощью частотными преобразователями, которые получили все более широкое распространение на практике.
В некоторых случаях потребителю важно иметь постоянную подачу при различных давлениях в сети. Подобное регулирование тоже хорошо реализуется изменением числа оборотов. В общем случае этим же способом можно отработать любой закон регулирования, который необходим потребителю.
При использовании привода с переменной скоростью частота вращения электропривода компрессора плавно регулируется в зависимости от изменения потребности в сжатом воздухе, обеспечивая высокий уровень энергоэффективности. По данным исследований, большинство систем сжатого воздуха характеризуется средними или значительными вариациями потребления. Поэтому существует значительный потенциал энергосбережения за счет оснащения компрессоров приводами переменной скорости. Испытания, проведенные в независимой лаборатории, продемонстрировали высокий уровень энергосбережения в условиях, моделирующих типичные колебания потребления сжатого воздуха на производстве (рисунок 1) [2,5].
Рис. 1. Энергопотребление компрессора с преобразователем частоты по сравнению со стандартными компрессорами
Компрессоры с приводом переменной скорости могут быть установлены в существующей системе сжатого воздуха. Более того, регулятором частоты может быть оборудован уже имеющийся привод компрессора, рассчитанный на эксплуатацию с постоянной скоростью.
Однако при совместной поставке двигателя и регулятора достигается больший эффект, поскольку эти устройства специально подбираются для максимально эффективной работы в определенном диапазоне скоростей.
Целесообразно ограничить применение новейших технологий приводов с переменной скоростью с устаревшими компрессорами, поскольку при ее использовании со старыми компрессорами возможны проблемы.
Весьма вероятно, что установка компрессора с приводом переменной скорости оказалась бы полезным мероприятием для многих систем сжатого воздуха, в настоящее время не имеющих такого компрессора [3].
Как правило, на энергию приходится 80 % затрат за весь жизненный цикл компрессора, тогда как оставшиеся 20 % приходятся на капитальные затраты и техническое обслуживание. Предприятие, где энергопотребление компрессора снижается на 15 %, экономит 12 % затрат за его жизненный цикл, в то время как дополнительные затраты на приобретение компрессора с приводом переменной скорости увеличивает затраты за жизненный цикл всего на 2–5 % [2].
Основными параметрами, характеризующими работу компрессора, является объёмная подача (производительность) Q, конечное Н давление (напор), частота вращения n и мощность на валу компрессора P [5].
У компрессоров существуют соотношения, которые называются законами подобия [5].
Производительность компрессора Q пропорциональна числу оборотов n:
Высота напора H пропорциональна квадрату числа оборотов n:
Мощность Р пропорциональна кубу числа оборотов n:
С помощью характеристики компрессора (рисунок 1) и законов подобия определяем минимальные и максимальные значения напора и частоты вращения с учётом заданных номинальных параметров:
Минимальная частота вращения вала компрессора 2ВМ-4–24/9С при минимальной подаче воздуха 
=144 м3 /ч
Минимальный напор — разница давлений воздуха между входным и выходным патрубками компрессора
Максимальный напор
Максимальная подача воздуха
Тогда диапазон регулирования частоты вращения вала компрессора:
Примем стандартный диапазон регулирования Д = 10:1.
Частотные преобразователи используются с асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором. Зачастую разработчики или изготовители компрессоров, модернизируя электропривод, применяют для частотно-регулируемого электропривода традиционные электродвигатели серии 4A. В процессе частых пусков для создания удовлетворительного теплового режима принимаются специальные меры по снижению кратности пусковых токов, увеличивается расход активных материалов. Все это приводит к увеличению массы и стоимости двигателя. Система изоляции и подшипниковые узлы серийных двигателей не приспособлены для работы с преобразователями частоты, что приводит к преждевременному выходу из строя обмоток статора, выплавлению стержней ротора, разрушению подшипников. Система управления получается нерациональной из-за необходимости применения более мощных преобразователей частоты и двигателей больших габаритов. Очевидно, что для частотно-регулируемого электропривода необходимо применять специальные двигатели [4].
Выбранный компрессор 2ВМ-4–24/9С укомплектован двухскоростным АД. Нам следует подобрать односкоростной АД с короткозамкнутым ротором.
При выборе двигателя для привода поршневого компрессора мощность на валу компрессора (по газу) определяется по следующей формуле:
где Qn — подача (производительность) компрессора, м3 /с; А — работа изотермического и адиабатического сжатия 1м3 атмосферного воздуха давлением р1 =1,1·105 Па до требуемого давления р2, Дж/м3; находим по А=f(p2) [4] — при р2 =9·105 Па А=260Дж/м3; kз — коэффициент запаса, равный 1,05–1,15 и учитывающий не поддающиеся расчету факторы; примем kз = 1,14;
— индикаторный КПД компрессора, учитывающий потери мощности при реальном процессе сжатия воздуха и равный 0,6–0,8; примем =0,7; 
— КПД механической передачи между компрессором и двигателем, его значения лежат в пределах 0,9–0,95; примем
=0,9.
При выборе мощности привода необходимо учесть, что допускается работа компрессора с подачей выше номинальной на 15–20 %.
С учетом вышесказанного, для электропривода компрессора выбираем асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа 7АИ315М4, адаптированный для работы от преобразователя частоты.
Вывод. По полученным результатам можно будет сделать имитационную модель для частотно-регулируемого асинхронного электропривода компрессора при скалярном управлении, который будет обеспечивать пуск электропривода с начальной частотой fи. мин = 5Гц для требуемого диапазона регулирования скорости компрессора, но на низких скоростях для удовлетворения этих условий приходится повышать напряжение для обеспечения необходимых моментов.
Литература:
- Мальцева О. П.,Удут Л. С., Кояин Н. В. Системы управления электроприводов: Учебное пособие. –Томск: Изд. ТПУ, 2007. — 151 с.
- Назаренко У. П., Межерицкий Н. А. Эксплуатация и повышение экономичности воздушных компрессорных установок. М.: Энергия, 1977.
- https://studwood.ru/1675610/matematika_himiya_fizika/primenenie_privodov_peremennoy_skorostyu
- Электронный ресурс: база данных содержит формулу для расчета и выбора двигателя компрессора — Режим доступа: https://lektsii.com/1–3484.html, дата обращения 21.12.2018.
- Болштянский А. П. Теоретические основы расчета и проектирования поршневых компрессоров с газостатическим центрированием поршня. Дисс.докт.техн. наук, Омск, 1999. — 530с.
