6.1 Общие сведения

Вентилятор – это воздуходувная машина, предназначенная для подачи воздуха или другого газа под давлением с целью организации воздухообмена. Мощные вентиляторы, как правило, имеют большой момент инерции, что затрудняет их пуск. В некоторых случаях требуется применение электрического торможения для быстрой остановки рабочего колеса.

Вентиляторы в отличие от других нагнетателей всегда работа­ют на сеть без противодавления, вследствие чего зависимость момента статического сопротивления на валу приводного двигателя от частоты вращения носит квадратичный характер, а подводимая к вентилятору мощность (без учета потерь на трение в под­шипниках) пропорциональна скорости в кубе.

Вентиляторы разделяют на две основных группы: центробежные и осевые. Характеристики центробежных вентиляторов аналогичны характеристикам центробежных насосов.

Другой, широко распространенной воздуходувной машиной является компрессор, предназначенный для сжатия и подачи воздуха или какого-либо газа под давлением не ниже 0,2 МПа. Компрессоры являются наиболее мощными нагнетателями. Мощность компрессоров достигает 18 000 кВт и выше. Отличие характеристик компрессоров от других центробежных машин заключается в том, что при изменении частоты вращения изменяется наклон их выходных характеристик. Это объясняется тем, что при более высоких частотах вращения повышаются степень сжатия газов и их плотность.

Наиболее типичные области применения компрессоров: генерирование пневматической энергии (энергетические компрессоры), транспортировка газа по магистральным газопроводам, компрессирование воздуха для получения кислорода методом разделения, подача воздуха и кислорода в доменную печь, холодильная техника. Все компрессоры являются быстроходными. Частота вращения рабочего колеса составляет от 3000 до 20000 мин^-1, поэтому для компрессоров применяются, как правило, быстроходные элек­тродвигатели с номинальной частотой вращения 3000 мин^-1. В тех случаях, когда требуется большая частота вращения колеса, между двигателем и компрессором устанавливается повышающий ре­дуктор или применяется высокооборотный электродвигатель.

Компрессоры и вентиляторы, как правило, работают в режи­мах длительной нагрузки, вследствие чего их электроприводы должны быть рассчитаны на длительную работу с большой наработкой часов за год. Компрессоры, как правило, работают на сеть с сопротивлением, что определяет суще­ственную зависимость момента сопротивления на валу от частоты вращения.

Пуск компрессоров производится обычно при разгруженной машине соединением полости нагнетания с атмосферой или с полостью всасывания, вследствие чего максимальный момент при пуске не превышает 0,4 от номинального.

По принципу действия эти механизмы бывают поршневыми, центробежными и ротационными. Поршневые механизмы обычно работают на низких скоростях, а центробежные и ротационные – при средних и высоких скоростях. Особенностью поршневых машин является наличие в их кинематической схеме кривошипно-шатунного механизма.

Характерной для вентиляторов и компрессоров является зависимость статического момента сопротивления от частоты вращения М_с = f(n) в соответствии с видом характеристики пневмосети, на которую работает нагнетатель.

Сетью принято называть систему трубопроводов и отдельных агрегатов, присоединенных к нагнетателю. Каждая сеть характеризуется потерями давления, которые можно разделить на внутренние (на трение и в местных сопротивлениях) и внешние (в выходном сечении сети). Сумма внутренних и внешних потерь давления в сети определяет полное сопротивление сети.

6.2 Электроприводы воздуходувных машин

Разнообразие условий приме­нения воздуходувных машин, их конструкций, режимов эксплуатации оп­ределяет возможность и экономическую целесообразность исполь­зования различных систем электропривода.

Для привода вентиляторов и компрессоров применя­ются нерегулируемые электроприводы. Несмотря на очевидные тен­денции к более широкому использованию регулируемых электро­приводов нагнетателей, особенно при мощности свыше 500 кВт, нерегулируемый привод остается основным в тех случаях, когда режим работы нагнетателя по технологическим условиям постоянен или мощность его невелика и регулирование его производительности без больших потерь энергии может быть осуществлено воздействием на нагнетатель либо на его сеть.

Наиболее распространенным типом электропривода воздуходувных машин (вследствие простоты и наименьших капитальных вложений) является привод с короткозамкнутым асинхронным двигателем, который применяется для нагнетателей мощностью от самой малой до нескольких тысяч ки­ловатт. При мощностях свыше 300 кВт наряду с короткозамкнутым двигателем применяют синхронные двигатели. Когда по ус­ловиям пуска необходимо ограничение ускорений или пусковых токов, используют и асинхронные двигатели с фазным ротором. Регулируемый электропривод применяют в тех случаях, когда:

по условиям работы производительность нагнетателя необхо­димо часто изменять в широких пределах (для энергетических и газовых компрессоров);

механизм длительно работает с производительностью, существенно меньшей номинальной (шахтные вентиляторы);

нагнетатели нуждаются в автоматическом регулировании производительности с повышенными требованиями к качеству регулирования (холодильные компрессоры, некоторые цир­куляционные и питательные насосы).

Кроме того, регулируемый электропривод применяют для испытательных и эксперименталь­ных установок (например, аэродинамических труб).

Простейшие системы регулируемого электропривода обеспечивают ступенчатое регулирование частоты вращения. Для нагнетателей малой мощности применяют многоскоростные асинхронные двигатели; для нагнетателей большой мощности – асинхронные или синхронные двигатели с питанием от преобразователей частоты.

Системы ступенчатого регулирования частоты вращения привода, следовательно, и подачи, не обеспечивают решение автоматического регулирования нагнетателей и применяются, как правило, в сочетании с аэродинамическими средствами регулирования. Использование таких систем ограничено.

Системы приводов с двигателем постоянного тока, несмотря на отличные регулировочные качества, в большинстве случаев нерациональны для нагнетателей.

Частотно-управляемые приводы используют: для нагнетателей, расположенных во взрывоопасных цехах, когда по конструктивным особенностям нагнетателя или по условиям окружающей среды приводной двигатель должен быть асинхронным короткозамкнутым и требуется регулирование его частоты вращения, а также для безредукторного электропривода быстроходных нагнетате­лей с частотой вращения свыше 3000 мин ^-1 и для электроприводов мощностью свыше 20 МВт, для которых машины постоянного тока или асинхронные электродвигатели с фазным ротором не могут быть построены.

В качестве приводов нагнетателей применяют также асинхрон­ные каскады. Достоинство этих приводов применительно к нагне­тателям определяется тем, что технико-экономические показатели каскадов зависят от глубины регулирования, поскольку преобразо­ванию в этих приводах подвергается не полная энергия, потребля­емая приводом, а лишь часть ее, пропорциональная диапазону ре­гулирования. Нагнетатели в большинстве случаев нуждаются в не­глубоком регулировании, поэтому каскадные схемы асинхронного привода для приводов средней и большой мощности рациональны для регулирования частоты вращения нагнетателей.

Вентильные приводы и каскады получили промышленное при­менение для нагнетателей мощностью от десятков до несколь­ких тысяч киловатт. Каскадные приводы, а также машины двой­ного питания являются рациональной системой регулируемого электропривода для нагнетателей большой и средней мощнос­ти при ограниченном изменении скорости от номинального зна­чения.