ВВЕДЕНИЕ

Турбомеханизмы являются машинами массового применения. Достаточно сказать, что около 25% всей электроэнергии, вырабатываемой в стране, расходуется на электропривод насосов, вентиляторов и компрессоров. Техническое совершенство и экономичность электроприводов турбомеханизмов в значительной степени определяют рациональность использования электроэнергии в народном хозяйстве. Под экономичностью электропривода следует понимать не только его минимальную стоимость и высокие энергетические показатели, но и такое качество электропривода, как регулируемость. Высокая экономичность электропривода позволяет турбомеханизмам производить работу, необходимую по технологическим условиям, с наименьшими энергетическими затратами.

Мощность турбомеханизмов лежит в весьма широких пределах — от единиц до десятков тысяч киловатт. Крупнейший насос, используемый в гидротехнических сооружениях ФРГ, имеет синхронный привод мощностью 73 000 квт. Мощность современных турбокомпрессоров с электромашинным приводом доходит до 18 000 квт, а вентиляторов — до 5 000 квт. Скорость вращения рабочего колеса турбомеханизмов также совершенно различна: от сравнительно тихоходных (около 100 об/мин) вентиляторов крупных градирен до сверхбыстроходных турбокомпрессоров, скорость вращения рабочего колеса которых достигает 20 000 об/мин. Однако, несмотря на различие турбомеханизмов по назначению, условиям работы и основным параметрам, их характеристики с точки зрения требований и условий работы электропривода имеют много общего, что позволяет рассматривать турбомеханизмы как отдельный класс нагрузочных механизмов для электропривода.

К основным особенностям турбомеханизмов, с точки зрения условий работы электропривода, относятся:

1) зависимость момента нагрузки и мощности на валу от скорости вращения;

2) длительный режим работы;

3) отсутствие реверсов и торможений;

4) ограниченный диапазон регулирования скорости вращения;

5) отсутствие перегрузок
.

Указанные особенности характерны для большинства турбомеханизмов; в отдельных случаях и для турбомеханизмов может потребоваться реверсирование, торможение или глубокое регулирование, но эти требования являются скорее исключением, чем правилом для механизмов этого класса.

До недавнего времени как в нашей стране, так и в зарубежной практике для привода турбомеханизмов применялись почти исключительно нерегулируемые электроприводы на базе синхронного либо асинхронного двигателей. Отказ от регулируемых приводов объясняется главным образом отсутствием в те годы технических средств для создания экономичных, достаточно мощных регулируемых электроприводов с двигателями переменного тока. Конструкторы турбомеханизмов вынуждены были решать при этом задачи регулирования с помощью традиционных аэро- или гидромеханических средств; однако эти способы отличаются большой сложностью либо неэкономичностью. Только для привода испытательных установок в авиационной промышленности (аэродинамические трубы и др.) создавались сложные системы регулируемого электропривода большой мощности, такие, как электромашинные каскады, системы асинхронного привода с частотным управлением от электромашинных преобразователей и др. Следует попутно отметить, что рост требований к испытательным средствам в авиационной промышленности сыграл положительную роль в создании регулируемого электропривода переменного тока большой мощности.

С начала 60-х годов регулируемый привод привлекает все большее внимание конструкторов как средство повышения эксплуатационного к. п. д. установок, т. е. экономии электроэнергии, и как средство регулирования тех производственных процессов, в которых турбомеханизм используется как звено технологической цепи.

Совершенствование и разработка новых средств электропривода: электродвигателей, тиристорных преобразовательных устройств, полупроводниковых регуляторов и др. — создали материальные предпосылки для массового применения регулируемых электроприводов турбомеханизмов различного назначения.

Можно указать на следующие основные причины, обусловливающие необходимость использования регулируемых электроприводов для турбомашин:

1) стремление повысить эксплуатационный к. п. д.установок;

2) стремление улучшить качество продукции за счет регулирования и оптимизации технологического процесса;

3) переход от частичной к полной или комплексной автоматизации производственных процессов;

4) рост единичных мощностей турбомеханизмов.
Эти объективные причины, соответствующие общим направлениям технического прогресса, вызывают все более широкое использование автоматизированного регулируемого электропривода для всех разновидностей рабочих машин, в том числе и для турбомеханизмов. У многих специалистов продолжает оставаться традиционный подход к электроприводу турбомеханизмов как к приводу нерегулируемому. Вопрос о замене неуправляемого привода регулируемым и о выборе его системы для турбомеханизмов вызывает серьезную полемику.

Решение этого вопроса лежит в области технико-экономического анализа целесообразности затрат капиталовложений на создание систем регулирования скорости вращения. Примеры такого анализа приведены в гл. 7.

Однако имеются предпосылки общего характера, достаточно аргументирующие техническую и экономическую целесообразность применения регулируемого привода для турбомеханизмов. Одно из важных обстоятельств связано с тем, что режим работы многих турбомеханизмов (насосов коммунального и промышленного водоснабжения, шахтных вентиляторов, энергетических турбокомпрессоров и др.) в большинстве случаев является принципиально неопределенным. Эта неопределенность часто не позволяет на стадии проектирования выбрать рабочую машину, оптимально удовлетворяющую режиму работы системы; более того, как правило, в процессе эксплуатации режим работы установки существенно изменяется, причем эти изменения носят характер, не поддающийся предварительному достаточно достоверному прогнозированию. В этих условиях оптимизация работы турбомашины ( как по технологическим требованиям, так и по условиям сохранения высокого к. п. д.) возможна только при регулировании скорости вращения рабочего колеса машины. Представляется также, что такое регулирование должно быть автоматическим. Комплексная автоматизация турбомашин, по существу, возможна только при наличии регулируемого электропривода.

Подход к вопросу о выборе типа привода для мощных турбомашин должен быть принципиально пересмотрен таким образом, чтобы при проектировании установок обосновывалось бы не применение регулируемого привода, а отказ от него.

Достижения последних лет в области электропривода турбомеханизмов показывают, что в практике все больше вырисовывается тенденция перехода к регулируемому приводу. Передовые в техническом отношении фирмы ФРГ, США, Японии все чаще применяют такие регулируемые приводы и его элементы, как вентильные каскады, коллекторные электродвигатели, индукторные муфты скольжения. Так, в 1969 г. фирмой Сименс (ФРГ) были изготовлены регулируемые приводы по схеме тиристорного асинхронного вентильного каскада для питательных насосов тепловых электростанций мощностью 8 200 квт с регулированием скорости в диапазоне 100—50%. В Японии фирмой Тосиба изготовлен вентильный каскад для привода насоса мощностью 5 500 квт. В ФРГ фирмой Броун-Бовери для привода мощного турбокомпрессора использован каскад Шербиуса, мощность привода 4 300 квт, диапазон регулирования 1578—1414 об/мин. Большие успехи достигнуты в конструировании регулируемого электропривода испытательных установок, в частности аэродинамических труб, мощность которых еще в годы войны достигла 30 000 квт./ Крупнейшие авиастроительные компании обладают испытательными установками, снабженными регулируемым электроприводом мощностью несколько десятков тысяч киловатт.

В нашей стране начиная с 60-х годов для турбомеханизмов также начал применяться регулируемый электропривод. Шахтные вентиляторы типа ВРЦД-4,5 мощностью 3 500 квт оснащены электроприводом, обеспечивающим ступенчатое регулирование скорости. На шахте «Мушкетовская-Вертикальная» (Донбасс) вентиляторы главного проветривания типа ВЦД-32 оборудованы регулируемым приводом мощностью 1 000 квт по схеме вентильно-машинного каскада и вентильного со ртутными выпрямителями. В Криворожском бассейне работает шахтный вентилятор мощностью 600 квт с регулированием по схеме асинхронного вентильного тиристорного каскада. Для насосов систем городского водоснабжения используются электроприводы с индукторными муфтами скольжения мощностью до 200 квт. Ведутся работы по созданию регулируемого электропривода для турбокомпрессоров и насосов большой мощности.

Приведенные примеры не единичны и показывают технический уровень развития регулируемого электропривода турбомеханизмов, достигнутый к 1969 г. К этому времени мировая практика уже насчитывала сотни примеров использования регулируемого электропривода турбомеханизмов средней и большой мощности, что позволяет расценивать эти примеры не как случайные, а как определенную сложившуюся техническую тенденцию.

Технический уровень электропривода и его соответствие режимам работы турбомеханизма в значительной степени определяют технико-экономические показатели установки в целом. Совершенствование электропривода ведет не только к повышению таких показателей работы установки, как производительность, качество продукции, к. п. д., надежность, но может и должно оказывать влияние на конструкцию самих турбомашин. Например, применение регулируемого электропривода для вентилятора типа ВЦД-32 позволило исключить из конструкции последнего регулируемый направляющий аппарат. Применение для турбомашин высокоскоростных электродвигателей с питанием от источника повышенной частоты позволяет создать безредукторные турбокомпрессоры.

Взаимная связь конструкции турбомеханизма с техническими решениями по электроприводу определяет необходимость разработки и выбора рационального электропривода для турбомеханизма непосредственно в процессе его конструирования. В настоящей работе основное внимание уделено рассмотрению совместной работы агрегата турбомеханизм — электропривод и определению экономически целесоообразных областей применения отдельных систем электроприводов.

Назад, на страницу описания