Электромеханические системы автоматизации стационарных установок

 
 
ǰ Ȃ ǯȜȞȖȟȓțȘȜ ǰ Ǯ ǿȖȒȜȞȜȐ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ȋǹdzǸȀǾǼǺdzȃǮǻǶȅdzǿǸǶdz  
ǿǶǿȀdzǺȉ ǮǰȀǼǺǮȀǶǵǮȄǶǶ  
ǿȀǮȄǶǼǻǮǾǻȉȃ ȁǿȀǮǻǼǰǼǸ 
 
ǺȜțȜȑȞȎȢȖȭ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ǺȜȟȘȐȎ    ǰȜșȜȑȒȎ 
©ǶțȢȞȎ-ǶțȔȓțȓȞȖȭª 
2022 
 

 
УДК 621.01:62-83:669 
ББК 
31.291+34.4 
Б82 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы :  
Бершадский Илья Адольфович, доктор технических наук,  
профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий и городов»,  
ГОУ ВПО «Донецкий национальный университет», г. Донецк 
Пенчук Валентин Алексеевич, доктор технических наук, профессор,  
заведующий кафедрой «Наземные транспортно-технологические комплексы и средства»,  
ГОУ ВПО «Донбасская национальная академия строительства и архитектуры», г. Макеевка 
 
 
 
 
Борисенко, В. Ф. 
Б82 
 
Электромеханические системы автоматизации стационарных установок : монография / В. Ф. Борисенко, В. А. Сидоров. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2022. – 364 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0892-9 
 
Рассмотрены вопросы поведения электромеханических систем общепромышленной группы механизмов с приводными асинхронными и синхронными двигателями, 
получающими питание от преобразователей частоты. В качестве приводимых механизмов представлены агрегаты аэродинамической группы, такие как насосы, вентиляторы, 
эксгаустеры. Приводятся обзорные материалы по продукции шведской фирмы АВВ и 
немецкой Bartec применительно к подъёмным механизмам и рудничным конвейерам. 
Изложены методы диагностирования технического состояния электромеханических 
систем, приводятся результаты экспериментальных исследований. 
Для инженерно-технического персонала, специалистов в области машиностроения и электропривода. Может быть полезно аспирантам и студентам электротехнических и металлургических направлений подготовки. 
 
УДК 621.01:62-83:669 
ББК 31.291+34.4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0892-9 
” Борисенко В. Ф., Сидоров В. А., 2022 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
2 

 
 
 
 
ǼDZǹǮǰǹdzǻǶdz 
 
 
ОТ РЕДАКТОРА 
.......................................................................................................................... 7 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
.......................................................................................................................... 8 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................................. 9 
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ............................................................... 10 
 
Часть первая 
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ НА БАЗЕ  
СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ............................................................................................. 11 
1.1. Анализ электромеханических и регулировочных свойств  
синхронных двигателей ..................................................................................................... 11 
1.1.1. Электромеханические свойства синхронных двигателей 
..................................... 11 
1.1.2. Особенности пускового режима синхронных двигателей 
.................................... 17 
1.1.3. Система управления синхронного электропривода .............................................. 21 
1.1.4. Схемы питания синхронных двигателей 
................................................................ 38 
1.1.5. Оценка схем питания синхронных двигателей с точки зрения  
колебательности электромагнитного момента ...................................................... 45 
1.1.6. Прямой и управляемый пуски синхронного двигателя ........................................ 49 
1.1.7. Прямое управление моментом (DTC) 
..................................................................... 60 
1.2. Технологические схемы и оборудование мощных гидропневмоустановок  
и особенности их работы ................................................................................................... 63 
1.3. Особенности работы электромеханических систем нагнетателей ................................ 72 
1.4. Вопросы повышения производительности нагнетательной станции средствами  
электропривода ................................................................................................................... 75 
1.5. Ресурсосбережение в электроприводах мощных нагнетателей, работающих  
параллельно на сеть ............................................................................................................ 78 
Список литературы к части первой ......................................................................................... 88 
 
Часть вторая 
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С ПРИВОДНЫМИ  
АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ ................................................................................... 90 
2.1. Общие вопросы управления производительностью механизмов  
аэрогидродинамической группы ....................................................................................... 90 
2.2. Энергосберегающие алгоритмы управления насосными станциями 
............................ 95 
2.3. Динамика ЭМС групповой насосной установки ............................................................. 99 
2.4. Динамика электромеханической системы  
«преобразователь частоты – АД с к.з.р. – насос»  
с учётом нестационарного течения жидкости в трубопроводе 
.................................... 110 
2.5. Реализация энергосберегающей системы электропривода для многонасосной  
станции ДПВЗ ................................................................................................................... 119 
2.6. Стабилизация давления в диктующей точке после возникновения гидроудара  
средствами электропривода 
............................................................................................. 121 
Список литературы к части второй 
........................................................................................ 130 
 
3 

 
Часть третья 
ВОПРОСЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ  
ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ШАХТНЫХ ПОДЪЁМНЫХ  
МАШИН И ВЕНТИЛЯТОРОВ ГЛАВНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ .................................... 133 
3.1. Общие особенности электроприводов переменного тока  
фирмы АВВ (Швеция) 
...................................................................................................... 134 
3.1.1. Прямое управление моментом............................................................................... 134 
3.1.2. Коммутирующие приборы IGCT........................................................................... 136 
3.1.3. Общая шина постоянного тока 
.............................................................................. 136 
3.1.4. Инжиниринговое программное обеспечение 
....................................................... 137 
3.1.4.1. DriveSize для выбора двигателей и приводов 
......................................... 137 
3.1.4.2. DriveWindow .............................................................................................. 138 
3.1.4.3. DriveSupport ............................................................................................... 139 
3.1.4.4. Программа DriveОРС ................................................................................ 140 
3.2. Новые предложения АВВ в области электропривода 
................................................... 140 
3.2.1. Приводы семейства CompAC (компонентные приводы) 
.................................... 140 
3.2.2. Преобразователь ACS550 
....................................................................................... 141 
3.3. Тиристорный преобразователь частоты серии ACS800 ............................................... 142 
3.3.1. Тиристорный электропривод переменного тока для ШПМ  
на базе ACS800 
........................................................................................................ 142 
3.3.2. Общие сведения о приводах ACS800 ................................................................... 144 
3.3.3. Технические характеристики ACS800 
.................................................................. 146 
3.3.4. Конструкция ACS800 ............................................................................................. 148 
3.4. Аппаратная часть .............................................................................................................. 148 
3.4.1. Основные особенности стандартной аппаратной части ..................................... 148 
3.4.2. Полнофункциональный 4-квадрантный привод 
.................................................. 148 
3.4.3. Удобное и надёжное электроснабжение 
............................................................... 148 
3.4.4. Передовая технология – DTC ................................................................................ 149 
3.4.5. Панель управления ................................................................................................. 150 
3.4.6. Управление по шинам Fieldbus ............................................................................. 151 
3.4.7. Управление приводом ............................................................................................ 151 
3.5. Стандартное прикладное программное обеспечение 
.................................................... 151 
3.5.1. Стандартные прикладные макросы 
....................................................................... 151 
3.5.2. Особенности программного обеспечения ............................................................ 152 
3.5.3. Предварительно запрограммированные функции защиты 
................................. 152 
3.5.4. Функции защиты, программируемые пользователем ......................................... 152 
3.5.5. Программа запуска Start-up Assistant 
.................................................................... 152 
3.5.6. Адаптивное программирование ............................................................................ 153 
3.6. Преобразователь частоты ACS1000 с воздушным охлаждением ................................ 154 
3.6.1. Преобразователь ..................................................................................................... 157 
3.6.2. Прямое управление моментом (DTC) 
................................................................... 160 
3.6.3. Оборудование управления и контроля ................................................................. 160 
3.6.4. Стандартные функции управления и контроля ................................................... 160 
3.6.4.1 Функции управления двигателем ............................................................. 161 
3.6.4.2 Функции управления 
.................................................................................. 162 
3.6.4.3 Диагностика ................................................................................................ 163 
3.6.5. Стандартные функции защит................................................................................. 164 
3.6.6. Программные средства 
........................................................................................... 164 
3.7. Привод с ACS6000  
........................................................................................................... 165 
4 

 
3.7.1 Приводы переменного тока среднего напряжения для  
регулирования угловой скорости и крутящего момента электродвигателей  
мощностью 3…27 МВт .......................................................................................... 165 
3.7.2. Общий вид преобразователя 
.................................................................................. 166 
3.7.3. Главные особенности ............................................................................................. 168 
3.7.4. Особенности технологии ....................................................................................... 169 
3.7.5. Модульный принцип .............................................................................................. 170 
3.7.5.1. Преимущества модульного принципа 
..................................................... 170 
3.7.5.2. Модули ACS6000....................................................................................... 171 
3.7.5.3. Активный выпрямительный модуль (ARU), инверторный  
модуль (INU) 
.............................................................................................. 171 
3.7.5.4. Сетевой модуль питания (LSU) ............................................................... 173 
3.7.5.5. Модуль водяного охлаждения (WCU)..................................................... 173 
3.7.6. Системы IndustrialIT и DriveIT 
................................................................................. 173 
3.7.7. DriveWare – вспомогательные программные средства ....................................... 174 
3.8. Системы плавного пуска 
.................................................................................................. 174 
3.8.1. Одновременное решение механических и электрических проблем .................. 174 
3.8.2. Системы плавного пуска – полный диапазон устройств .................................... 175 
3.8.3. Применение PSS03...PSS25 
.................................................................................... 177 
3.8.4. Системы плавного пуска типа PST ....................................................................... 177 
3.8.4.1. Описание .................................................................................................... 178 
3.8.4.2. Применение PST 
........................................................................................ 178 
3.9. Рудничные взрывобезопасные преобразователи частоты ............................................ 185 
3.9.1. Общие сведения ...................................................................................................... 185 
3.9.2. Системы частотно-регулируемого электропривода для ленточных  
конвейеров ............................................................................................................... 185 
3.9.3. Рудничные преобразователи частоты типа DYNAVERT ................................... 188 
3.9.3.1. Применение 
................................................................................................ 189 
3.9.3.2. Принцип действия ..................................................................................... 189 
3.9.3.3. Силовая часть 
............................................................................................. 189 
3.9.3.4. Управляющая часть 
................................................................................... 190 
3.9.3.5. Цифровая электроника 
.............................................................................. 190 
3.9.3.6. Обслуживание 
............................................................................................ 190 
3.9.3.7. Коммуникационные возможности 
........................................................... 191 
3.9.3.8. Согласование с электродвигателем ......................................................... 191 
3.9.3.9. Электромагнитная совместимость с сетью 
............................................. 192 
3.9.3.10. Механическая конструкция 
.................................................................... 192 
 
Часть четвёртая 
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ................................. 194 
4.1. Обработка сигналов в диагностике электромеханических систем 
.............................. 194 
4.2. Временная реализация вибрационного сигнала ............................................................ 210 
4.3. Достоинства анализа временного сигнала ..................................................................... 216 
4.3.1. Анализ временных реализаций вибрационного сигнала .................................... 216 
4.3.2. Обработка результатов измерений временного сигнала .................................... 222 
4.3.3. Исследование диагностических параметров электромеханической  
системы .................................................................................................................... 224 
4.4. Причины колебаний в линиях привода металлургических машин ............................. 230 
4.5. Методы распознавания технического состояния .......................................................... 239 
5 

 
4.6. Оценка состояния электромеханической системы – главной линии  
прокатного стана 
............................................................................................................... 244 
4.7. К оценке состояния электромеханической системы клети «трио» на базе  
результатов вибрационного обследования 
..................................................................... 252 
4.8. Вопросы разработки математических моделей диагностики состояния  
электромеханических систем промышленных установок ............................................ 262 
Список литературы к части четвёртой .................................................................................. 280 
 
Часть пятая 
ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ .................................................. 282 
5.1. Определение технического состояния 
............................................................................ 282 
5.2. Прогнозирование технического состояния 
.................................................................... 291 
5.3. Повреждения элементов механизмов ............................................................................. 300 
5.3.1. Подшипники качения ............................................................................................. 300 
5.3.2. Зубчатые передачи 
.................................................................................................. 308 
5.3.3. Валы, шлицевые, шпоночные соединения ........................................................... 316 
5.4. Измерение параметров вибрации 
.................................................................................... 326 
5.4.1. Измерение общего уровня вибрации .................................................................... 328 
5.2.4. Измерение ударных импульсов 
............................................................................. 334 
5.5. Использование результатов технического диагностирования при ремонтах  
металлургического оборудования 
................................................................................... 341 
5.6. Методы оценки состояния привода эксгаустера ........................................................... 348 
Список литературы к части пятой ......................................................................................... 355 
 
 
6 

 
 
 
 
ǼȀ ǾdzDzǮǸȀǼǾǮ 
 
Предыдущее издание монографии было реализовано более пятнадцати лет 
назад. За это время произошли большие изменения по многим направлениям в 
научной и технической жизни. Менялись ориентиры сотрудничества у многих 
фирм, ставились новые цели и задачи перед техническими и научными коллективами. Большой интерес остается у научно-практических институций в плане 
дальнейшего внедрения регулируемых систем электроприводов на переменном 
токе, имеются в виду преобразователь частоты (ПЧ) – асинхронный двигатель, 
ПЧ – синхронный двигатель.  
Отечественные и зарубежные фирмы непрерывно совершенствуют системы управления преобразователями, применяя новую элементную и силовую 
технику, расширяется пакет прикладных программ, аппарат нейронных сетей 
становится основным для ряда специальных систем управления. 
 
 
Проф. В. Ф. Борисенко 
 
 
7 

 
 
 
 
ǽǾdzDzǶǿǹǼǰǶdz 
 
В настоящую монографию вошли материалы, предоставленные сотрудниками Донецкого национального технического университета проф. В. Ф. Борисенко и проф. В. А. Сидоровым, представляющими кафедры электропривода и 
автоматизации промышленных установок и механического оборудования заводов чёрной металлургии. Материалы первой, второй и третьей частей предоставлены проф. В. Ф. Борисенко, а четвёртой и пятой – проф. В. А. Сидоровым.  
Общее редактирование монографии выполнено проф. В. Ф. Борисенко. 
 
 
8 

 
 
 
 
ǰǰdzDzdzǻǶdz 
 
Электромеханические системы автоматизации горно-металлургического 
комплекса включают большое разнообразие механизмов, отличающихся как режимами работы, так и характером нагружения. 
Подавляющее большинство стационарных механизмов – вентиляторы, 
насосы, компрессоры и др. – работают в длительном режиме с мало изменяющейся нагрузкой. Число одновременно работающих механизмов аэрогидродинамической группы на магистраль может колебаться от одного до нескольких, причём, возможны параллельная или последовательная схемы включения машин. 
Стремление к работе с высокими технико-экономическими показателями 
систем и механизмов побуждает эксплуатационников пересмотреть существующие устоявшиеся методы регулирования производительности последних, 
а также более жёстко подходить к заказу нового оборудования, обращая внимание, в первую очередь, на качественную сторону оборудования и его энергопотребление. Работа с переменной производительностью машины в течении суток 
(изменение её в 1,5–2 раза, например) заставляет отказаться от неэкономичных 
систем с «дросселированием» (вентилятор, насосы) и перейти на энергосберегающие системы электропривода, в качестве которых можно назвать «преобразователь частоты-асинхронный двигатель», «преобразователь частоты-синхронный двигатель». Системы ПЧ-АД и ПЧ-СД уже достаточно хорошо себя зарекомендовали в работе и продолжают вытеснять устаревшие системы и способы регулирования. 
Как мы видим, будущее за системами переменного тока с высокими энергетическими показателями. Поэтому основное внимание сосредоточим на работе 
приводов переменного тока и их особенностях. 
Особое внимание уделяется вопросам диагностирования электромеханических систем. Это связано с существенным износом действующего оборудования, 
полной замены которому в настоящее время нет. Поэтому поддержание оборудования в рабочем состоянии за счёт контроля его текущего состояния и проведения профилактических ремонтов является главной задачей инженерно-технического персонала предприятий. 
 
 
9 

 
 
 
 
ȁǿǹǼǰǻȉdz ǼǯǼǵǻǮȅdzǻǶȍ Ƕ ǿǼǸǾǮȇdzǻǶȍ 
 
U 
– напряжение 
 
I, i 
– ток  
Ȍ 
– потокосцепление 
 
R 
– активное сопротивление 
 
Ȧ 
– угловая частота вращения 
 
ș 
– угол  
M 
– момент 
 
L 
– индуктивность  
X 
– индуктивное сопротивление 
ȕ 
– жёсткость механической характеристики 
S 
– скольжение 
 
f 
– частота 
 
E 
– электродвижущая сила 
 
P 
– мощность  
Q 
– производительность 
 
D 
– диапазон  
H 
– давление  
t 
– время 
ТЭЦ 
– теплоэнергоцентраль 
ЭДС 
– электродвижущая сила 
АД 
– асинхронный двигатель 
НПЧ 
– непосредственный преобразователь частоты 
АРВ 
– автоматическое регулирование возбуждения 
СД 
– синхронный двигатель 
УП 
– управляемый преобразователь 
ЛУ 
– логическое устройство 
ФИ 
– формирователь импульсов 
К 
– компаратор 
ЗГ 
– задающий генератор 
АИТ 
– автономный инвертор тока 
АИН 
– автономный инвертор напряжения 
КПД 
– коэффициент полезного действия 
ВД 
– вентильный двигатель 
КХЗ 
– коксохимический завод 
10