Замена пристраиваемых асинхронных двигателей для промышленных компрессоров на вентильно-индукторные электроприводы с системой управления преобразователем частоты на базе отечественного MOTORCONTROL микроконтроллера
Комиссаров С.Н., Ворошилов И.В.
ООО «Краснодарский Компрессорный Завод», ст-ца Динская
Аннотация
Рассматривается возможность и предлагаются варианты замены существующих импортных микроконтроллеров на отечественные решения для промышленных компрессоров на вентильно-индукторные электроприводы с системой управления преобразователем частоты.
Ключевые слова
асинхронные двигатели, машиностроение, промышленное производство, импортозамещение, промышленные компрессоры, электропривод, преобразователь частоты, микроконтроллер.
Машиностроение является отраслью промышленного производства, которая оказывает качественное влияние на конкурентоспособность экономики страны. Отрасль обеспечивает оборудованием производственные и добывающие секторы экономики, стимулирует научно-технической прогресс и способствует развитию предприятий на региональных рынках.
Импортозамещение в машиностроении является одной из целей достижения экономической и технологической безопасности, независимости страны от геополитических и макроэкономических изменений.
В соответствии с целями государственной программы Российской Федерации «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности» одним из приоритетных направлений является создание конкурентоспособной промышленности, в основе которой лежит разработка и внедрение передовых промышленных технологий. Программа предусматривает «повышение конкурентоспособности и спроса… путем развития и создания новой техники и технологий». Высокие требования к производимым машинам и оборудованию обусловлены динамикой производства в различных сферах промышленности и услуг, необходимостью внедрения энергосберегающих технологий, внедрением цифровых систем управления и контроля на уровне предприятий, локальными установками. Достижение данных показателей возможно в условиях непрерывного инновационного процесса на предприятиях машиностроения, значительных инвестициях и системной работы в сфере НИОКР [1].
В настоящее время электромеханические преобразователи (ЭМП) энергии составляют основу современного промышленного производства, используются в транспортных системах, робототехнических комплексах, в медицине, сельском хозяйстве и других областях. Постоянно возрастающие требования к динамическим, энергетическим и массогабаритным характеристикам ЭМП требуют совершенствования всех компонентов, прежде всего активных частей, участвующих в электромеханическом преобразовании энергии.
Рис. 1. Пример компрессора [2] с традиционным присоединяемым асинхронным электродвигателем
Одним из перспективных ЭМП в настоящее время является вентильно-индукторный, обладающий высокими технико-экономическими показателями. В мировой практике вентильно-индукторные электрические машины (ВИМ) в составе вентильно-индукторных электроприводов (ВИП) применяются во многих областях. По сравнению с частотно-регулируемым асинхронным двигателем индукторный двигатель имеет более высокий КПД (на 3–5%) при тех же габаритах [3].
Рис. 2. Пример пристраиваемого ВИД «ИД-110» производства СЗСЭМ
Рис. 3. Пример отдельностоящего ВИД «ДВИТ-110» производства sPM
Руководство и Технический департамент «Краснодарского Компрессорного Завода» (ККЗ), решая вопросы улучшения технико-экономических характеристик компрессорных установок при продолжительном режиме работы с апериодической нагрузкой и изменяемой частотой вращения с целью регулирования производительности, и понимая, что для достижения требуемых результатов необходимо совершенствовать не только силовую, но и управляющую части электропривода, приняли решение о переходе от традиционных асинхронных присоединяемых двигателей для промышленных компрессоров типа ДАСК или АИН к электроприводам с более высокой эффективностью, а именно вентильно-индукторным двигателям (ВИД), обладающим улучшенными массогабаритными, энергетическими показателями и рядом других качеств, принципиально отличающими их от других электрических машин. Характеристики ВИД обеспечивают их повышенную долговечность, ремонтопригодность, а также высокую перегрузочную способность двигателя в пусковом режиме порядка 4-х кратной номинальной величины вращающего момента и выше, что является важным для компрессорных установок.
Модернизация компрессорной станции и системы управления - процессфинансоемкий, и эти затраты должны быть эффективными, обеспечивающими не только улучшение массо-габаритных характеристик, но и повышение уровня безопасности эксплуатации, минимизацию простоев при возникновении неисправностей за счет постоянного контроля за состоянием электропривода и компрессора со стороны современной системы управления и, конечно, снижение затрат Заказчика на электроэнергию за счет применения ПЧ. При этом повышение энергоэффективности требует комплексного подхода и ряда организационно-технических мероприятий, таких как модернизация механических узлов и внедрение современных средств автоматизации с заменой устаревших типов аппаратных средств и КИП. Все это позволяет добиться максимального группового КПД компрессорных установок [4].
Структура ВИД по своей структуре схожа с классической системой регулируемого электропривода и поэтому обладает ее свойствами. Однако в отличие от регулируемого электропривода, индукторная машина в ВИД не является самодостаточной. Она принципиально неспособна работать без преобразователя частоты и системы управления. Преобразователь частоты и система управления являются неотъемлемыми частями индукторной машины, кото- рые необходимы для осуществления электромеханического преобразования энергии [5].
В последние годы значительно увеличилось число зарубежных и отечественных исследований в области создания простых по конструкции и надежных электрических машин для электроприводов, где технологичность, простота, низкая цена и отказоустойчивость исполнительного двигателя имеют решающее значение, а требуемые показатели качества достигаются за счет применения высокоинтеллектуальных преобразователей частоты. Подобные исследования имеют решающее значение в особенности для промышленного оборудования опасных производственных объектов: ядерных, военных, химических, металлургических и перерабатывающих, где возникает проблема организации отказоустойчивого управления исполнительными электроприводами (ЭП) с обеспечением свойства живучести [6].
Начиная с 2012 года и по настоящее время, многие российские предприятия вовлечены в решение задачи нивелировать «критическую зависимость от зарубежных технологий», сформулированной президентом РФ В.В. Путиным [7]. ККЗ относится к таким предприятиям, и, не смотря на большое количество предложений систем управления электроприводами от зарубежных поставщиков, в организации принято решение о реализации системы управления преобразователем частоты вентильно-индукторного привода компрессоров на базе отечественного микроконтроллера. Также завод активно применяет для построения систем управления компрессорными станциями программируемые логические контроллеры инженерной компания «Прософт Системы», разработанные и производимые в России.
Несмотря на экспансию со стороны импортных производителей, в Российской Федерации продолжается разработка собственных микропроцессоров. Среди фирм-разработчиков, выпускающих микросхемы, подходящие для реализации задач управления электроприводом, были определены следующие:
• Миландр - 1986ВЕ92;
• НИИЕТ - К1921ВК01Т, К1921ВК028.
Рис. 4. Примеры модулей управления на отечественном моторконтроллере производства НПФ Вектор
Контроллер МК40.4 предназначен для использования в качестве встраиваемой высокопроизводительной системы прямого цифрового управления двигателями различных типов, статическими преобразователями частоты и системами вторичного стабилизированного и автономного питания. Контроллер предназначен для работы с локальными промышленными сетями на базе гальванически развязанных интерфейсов Rs-485 или CAn. Контроллер адаптирован для подключения через интерфейс CAn к персональному компьютеру со специализированным программным обеспечением. Ядро контроллера 32-разрядный микроконтроллер К1921ВК01Т фирмы НИИЭТ (г. Воронеж) с частотой работы 100 МГц с периферией, специализированной под задачи управления электроприводом. Высокое быстродействие и стандартизация интерфейсов контроллера позволяют применять его в системах скалярного и векторного управления асинхронными, синхронными, шаговыми и вентильно-индукторными двигателями. Контроллер обеспечивает оптимальный интерфейс с силовыми ключами преобразователей, поддерживая режимы синусоидальной векторной широтно-импульсной модуляции для мостовых инверторов, а также прямой цифровой интерфейс с датчиками положения: импульсными, с «квадратурным» выходом, цифровыми или на элементах Холла. Высокая производительность микроконтроллера допускает реализацию бездатчиковых систем управления двигателями [8].
Рис. 5. Пример блока управления электродвигателем (преобразователя частоты)
Заключение
ККЗ, руководствуясь современными требованиями и необходимостью постоянного развития, создавая при этом востребованную и конкурентоспособную продукцию для различных областей промышленности, берет на себя весь спектр работ и задач, связанных с компрессорным оборудованием, осуществляя при этом программу содействия импортозамещения и поддержки отечественных производителей.
Список литературы
1. Оборин М.С. Импортозамещение как стратегическое направление развития машиностроения // Научный вестник: Финансы, банки, инвестиции. 2019.
- № 4. С. 172-178.
2. Ворошилов И.В. Компрессор поршневой оппозитный двухрядный четырехступенчатый - патент на полезную модель RU 125269 U1 от 26.09.2012, опубл. 27.02.2013, Бюл. № 6.
3. Шевкунова А.В. Совершенствование проектирования активной части вентильно-индукторной машины. Тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01.
4. П.А. Кочкин, И.Н. Мухин, компания «ТокcСофт», г. Москва. Методы повышения эффективности работы компрессорных станций. // Журнал «ИСУП». 2019. № 3 (23).
5. Насибова Л.Я. Выпускная квалификационная работа на тему «Отказоустойчивый вентильно-индукторный электропривод для гибридного транспортного средства» [электронный ресурс] – URL: https://motorcontrol.ru/ projects/proj_2/ (дата обращения 01.09.2021).
6. НПФ «ВЕКТОР». Проект ВИП 1.1-2.2кВт. [электронный ресурс] – URL: https://motorcontrol.ru/projects/proj_2/ (дата обращения 01.09.2021).
7. Alekseim, НПП ИТЭЛМА. Импортозамещение и импортонезависимость в производстве отечественной электроники [электронный ресурс] – URL: https://habr.com/en/post/403141/ (дата обращения 01.09.2021).
8. НПФ «ВЕКТОР». Описание продукции. Контроллер МК40.4. [электронный ресурс] – URL: https://motorcontrol.ru/production/controllers/mk40_4/ (дата обращения 01.09.2021).
⇐ Назад
