Гидропривод в современных технологических линиях может иметь в своём составе одновременно несколько исполнительных механизмов перемещения и создания усилий (например, для привода пресса) на основе гидроцилиндров, которые могут отличаться по потребляемому расходу и необходимой величине давления. Применение в таких системах гидростанций с одним гидравлическим насосом, установленного на валу двигателя и с питанием от промышленной трёх фазной сети 380 В, 50 Гц и последующей регулировкой дросселями или пропорциональными клапанами до необходимых величин параметров по давлению и расходу, не является энергоэффективным решением. Следует учесть, что прямой пуск приводного асинхронного двигателя при включении гидростанции, дает сильную нагрузку на питающую цепь, так как пусковой ток может кратковременно возрастать в 5-7 раз от номинального значения. Такой эффект приводит к просадке напряжения питающей сети во время пуска и повышении нагрузки в цепи управления на автоматических выключателях и контакторах.
Для решения этих проблем в состав гидростанций, у которых насос приводится в действие асинхронным двигателем, для управления скоростью вращения двигателя применяют преобразователь частоты (ПЧ). Очевидно, что ПЧ увеличивал стоимость системы управления, по сравнению с традиционными системами с прямым пуском асинхронного двигателя. Но снижение нагрузки на сеть и получаемые дополнительные возможности гидростанции для систем управления гидроприводом окупают эти затраты. При этом в большинстве случаев упрощаются схемы цепи управления или уменьшается число компонентов гидравлической схемы (дросселей, клапанов и пр.) в цепях управления гидроцилиндрами. Это позволяет частично компенсировать сделанные затраты на установку ПЧ.
Для получения максимальной выгоды от применения в системе управления ПЧ, необходимо учитывать особенности работы насоса гидростанции, регулировочные характеристики ПЧ. Важным фактором является повышение надежности работы гидростанции.
Рассмотрим преимущества, получаемые от применения регулируемого электропривода насоса, по сравнению с применением нерегулируемого электропривода насоса (на рис.1 в качестве примера изображен нерегулируемый аксиально поршневой насос HDS-55 ISO SX).
.png)
Рис. 1 Нерегулируемый аксиально поршневой насос HDS-55 ISO SX
Во-первых, преимуществом является возможность установить оптимальные параметры работы насоса, при которых будет обеспечено необходимое давление и расход для работы гидравлического оборудования. Это достигается за счет управления скоростью вращения вала двигателя ниже, а иногда и выше от номинальной величины. Т.е. скорость вращения становится регулируемым параметром, позволяющим оптимизировать работу оборудования и в ряде случае снизить число компонентов гидравлической схемы, упростить наладку как отдельных узлов, так и всей системы управления.
Во-вторых, преимуществом является возможность реализации плавного пуска электропривода, что позволяет снизить пусковые токи и пусковую нагрузку как на насос, так и на электрическую питающую сеть.
В-третьих, этим повышается энергоэффективность гидростанции, и снижаются затраты на ее эксплуатацию. Прежде всего уточним, какой тип характеристики нагрузки привода у насоса. Анализ показывает, что такая характеристика, свойственна не только приводам вентиляторов, но и насосам и называется вентиляторная. Особенность ее заключается в том, что момент сопротивления привода находится в квадратичной зависимости от скорости вращения вала. Поэтому даже небольшое возрастание скорости работы привода ведет к существенному возрастанию нагрузки на двигатель. Такой тип характеристики не соответствует естественной характеристике электродвигателей какого-либо типа. Ниже приводится график изменения момента нагрузки Mот величины угловой скорости вала двигателя W. Здесь момент нагрузки пропорционален квадрату величины скорости.
.png)
Рис.2 График изменения момента нагрузки M от скорости W – вентиляторная характеристика.
Если изменить значение скорости вращения вала в 2 раза, то это приведет к увеличению момента нагрузки на валу в 4 раза. Поэтому, когда идет проектирование гидростанции, то двигатель по номинальной мощности подбирается с учетом максимальной нагрузки насоса, которую он создаст при работе на номинальной (максимальной) угловой скорости вращения.
Pном. = Wмакс. *Mмакс.
Стандартный ПЧ позволяет управлять скоростью асинхронного двигателя изменяя частоту f и величину напряжения U на своем выходе в функции:
U/f = const,
т.е. линейное изменение величины напряжения в функции величины частоты. При постоянном моменте нагрузки на рис.3 приведены типовые кривые статических характеристик частотного управления угловой скоростью асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с постоянством величины критического момента Mпк.
.png)
Рис. 3 Статические кривого частотного управления при постоянном моменте.
При таком регулировании для каждого значения выходной частоты f1 есть значение синхронной скорости w0*, рабочей скорости w* и напряжения Uдвиг. При работе двигателя на частотах ниже, чем 50 Гц, на двигатель будет подаваться напряжение меньше, чем 380 В. Значит, если система управления гидравликой не требует таких величин расхода и давления, которые обеспечивает насос при питании двигателя прямо от сети, то ПЧ может снизить скорость вращения вала двигателя уменьшая частоту на выходе f и выставить необходимые расход и давление. При этом электродвигатель будет иметь меньшее потребление электроэнергии по сравнению с системой управления двигателем без ПЧ. Это первый шаг в снижении потребления электроэнергии.
Для того, чтобы сделать второй шаг, чтобы еще больше снизить потребления электроэнергии, нужно применить ПЧ, который позволяет учитывать при управлении асинхронным двигателем, то, как было уже сказано выше, что момент сопротивления привода находится в квадратичной зависимости от скорости вращения вала. Поэтому даже небольшое возрастание скорости с изменением частоты f приводило бы изменение напряжения U на своем выходе в функции
U/f2 = const
При таком формирование величины напряжения от заданной величины частоты, при понижении частоты напряжение на выходе ПЧ должно меняться не прямо пропорционально (линейно), а по квадратичному (S-кривая)закону. Такой режим позволит экономить потребление электроэнергии за счет снижение напряжения на двигателе при малых частотах на выходе ПЧ.
С учетом вентиляторной характеристики момента нагрузки, на рис. 4 показаны типовые кривые статических характеристик частотного регулирования угловой скоростью асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
.png)
Рис.4 Статические кривые частотного управления с вентиляторной характеристикой момента.
При таком законе управления частотой, видно, что из-за уменьшения напряжения U1 по квадратичному закону от f1, по мере уменьшения частоты при тех же самых величинах синхронной скорости W0* снижается величина критического момента и растет величина скольжения. Однако, для каждого значения частоты f1 и соответствующей скорости, критический момент всегда больше момента нагрузки Mc*, что обеспечивает стабильную работу насоса. На рис. 5 показан график изменения напряжения на выходе ПЧ.
.png)
Рис.5. Диаграмма работы при изменении напряжения в виде линейной или квадратичной функции в зависимости от выходной частоты ПЧ.
При увеличении частоты f1 от 0 до базовой 50Гц, напряжение на выходе ПЧ может расти линейно или по S-кривой до 100%. При достижении на выходе ПЧ напряжения выше базовой величины, напряжение на выходе остается неизменным. Это необходимо учитывать, если возникнет необходимость управлять двигателем с частотой выше, чем 50 Гц, чтобы критический момент двигателя превышал величину момента нагрузки.
Итак, имея возможность управлять напряжением в виде квадратичной функции от частоты, мы сможем еще больше снизить потребление электроэнергии.
Пока рассматривались только статические процессы, но уже были показаны преимущества применения ПЧ для управления асинхронным двигателем. Эти преимущества можно усилить, если управлять параметрами гидростанции, как источником питания гидравлики и сделать ее полноценной составляющей частью системы управления.
Любая гидравлическая система управления, в зависимости от состава и количества цилиндров и гидромоторов, работает по своим алгоритмам и в каждую единицу времени величины расхода и давления могут быть не постоянны. Особенно резко снижается расход при остановках механизмов в циклах управления. С дугой стороны, на вход ПЧ от контроллера управления технологическими процессами можно подавать управляющий сигнал на ПЧ гидростанции. В этом случае, циклограмма работы будет включать в себя следующие участки:
работают все цилиндры и гидромоторы - максимальный расход;
работает только часть оборудования и насос должен обеспечить средний или промежуточный расход;
Естественно, что насос гидростанции должен прежде всего обеспечить этот максимальный расход и электропривод при этом работает на максимальной для данной системы скорости. Но когда необходимо обеспечить средний и тем более минимальный расход, электропривод насоса может обеспечить среднюю и минимальную скорости вращения вала. В этом случае, в зависимости от сигнала управления от контроллера, ПЧ управляет скоростью электропривода. То есть, потребление электроэнергии может быть, как максимальным, так и минимальным, а в среднем, по сравнению с гидростанциями без ПЧ, экономия электроэнергии может достигать 50% и более. Особенно этот эффект заметен, если мощность асинхронного электродвигателя гидростанции свыше 30 кВт.
Дальнейшие шаги, направленные на совершенствование динамического управления гидростанцией, позволят уменьшить число возмущающих факторов, влияющий на точность и динамику работы гидравлики. Еще одно из интересных направлений - создание многоканальных гидростанций, которые имеют общий бак для масла, но при этом вместо одного насоса с электроприводом установлены, на пример, 2 насоса с индивидуальным регулируемым от ПЧ электроприводом. Тогда один канал можно применить для питания гидравлики с "низким" давлением, а другой канал для "высокого" давления. Каждый канал должен иметь свою обратную связь по расходу или давлению и являться составной частью управления движением или давлением. Многоканальность может повысить управляемость и надежность работы системы в целом, особенно там, где требуется непрерывная работа.
Пример такого решения показано на рис.6. Здесь представлена четырехканальная гидростанция, которая была установлена вместо одноканальной, при модернизации линии формовки на «Литейном заводе КАМАЗ».
.png)
.png)
Рис. 6 Фотографии 4-х канальной и одноканальной станций.
На рис. 6 представлена пяти канальная гидростанция. Каждый канал состоит из асинхронного двигателя с мощностью 75 кВт и насоса. Каждый двигатель управляется от своего ПЧ, установленного в шкафе. В процессе работы линии задействованы 4 канала. Пятый канал резервный. Он может быть оперативно, при необходимости, подключен вместо любого из 4 каналов, тем самым обеспечивать бесперебойную работу линии формовки. Для обеспечения динамических процессов управления, за двигателями у стены видны 5 гидро- аккумуляторов, которые имеют небольшие размеры.
.png)
.png)
Рис. 7 Фотографии шкафа управления и других частей насосной станции.
Помимо значительной экономии электроэнергии, данная гидростанция, по сравнению со старой, позволила более точно и надежно управлять механизмами, позволила на одной линии расширить номенклатуру формовок для разных деталей и обеспечить быструю переналадку с одно вида на другой.
Автор к.т.н. Воронежцев И.В.
Редактор к.т.н. Артюшин Ю.В.
