Підвищення енергоефективності привода компресора Atlas

Abstract

У вступі обґрунтовано актуальність модернізації промислових компресорних установок з метою підвищення їх енергоефективності, надійності та автоматизації. Особливу увагу приділено необхідності оновлення електроприводів застарілих моделей компресорів, зокрема Atlas Copco [1] , що широко використовуються у виробництві теплоізоляційних матеріалів. Визначено ключові вимоги до сучасного електропривода: висока точність регулювання, енергоефективність, зниження експлуатаційних витрат і забезпечення тривалої безвідмовної роботи [2]. У першому розділі розглянуто об’єкт дослідження – електропривод компресора Atlas Copco – та поставлено технічне завдання з його модернізації. Проведено аналіз структури електропривода, виявлено його недоліки у контексті сучасних вимог до промислового обладнання. Також наведено порівняння різних типів систем керування асинхронними електродвигунами, що дозволило обґрунтувати вибір векторного керування як найефективнішого підходу до модернізації [3]. У другому розділі здійснено розробку математичної моделі електропривода компресора. Проведено моделювання процесу прямого пуску асинхронного електродвигуна у різних системах координат (abc, ??, dq), що дозволило дослідити динамічні характеристики двигуна та визначити оптимальні умови запуску. Розглянуто принцип побудови та особливості реалізації векторного керування, включаючи перетворення координат, реалізацію регуляторів струму та швидкості, формування керувальних сигналів для силового перетворювача [4]. У третьому розділі описано створення імітаційної моделі системи векторного керування електроприводом у середовищі Matlab Simulink. Проведено серію експериментів з моделювання роботи системи в різних динамічних і навантажувальних режимах. На основі отриманих результатів виконано оптимізацію параметрів керування для забезпечення стабільної та точної роботи компресора. У результаті доведено зменшення пускових струмів, покращення плавності пуску та регулювання швидкості обертання. Окремий розділ присвячено питанням охорони праці та безпеки при експлуатації електроприводів у виробничих умовах. Розглянуто основні ризики, пов’язані з експлуатацією компресорного обладнання, та запропоновано заходи з їх мінімізації, зокрема впровадження засобів захисту від перенапруг, перегріву та короткого замикання. Завершальний розділ містить техніко-економічне обґрунтування доцільності модернізації. Проведено аналіз витрат на реалізацію запропонованої системи, розраховано економію електроенергії, зменшення витрат на обслуговування та збільшення експлуатаційного ресурсу компресора. Доведено, що модернізований електропривод забезпечує скорочення загальних експлуатаційних витрат та швидку окупність впровадження. У майбутньому планується розробка бездатчикової системи векторного керування. Об’єктом дослідження є асинхронний електропривод компресора Atlas Copco. Предметом дослідження – система векторного керування асинхронним електродвигуном у складі компресорної установки. Метою роботи є модернізація електропривода компресора шляхом впровадження системи автоматичного керування з векторним принципом регулювання, що забезпечить зростання енергоефективності та покращення експлуатаційних характеристик. У перспективі планується розвиток бездатчикових алгоритмів векторного керування для подальшого вдосконалення системи.

The introduction substantiates the relevance of modernizing industrial compressor units in order to increase their energy efficiency, reliability, and automation level. Special attention is given to the need to upgrade electric drives of outdated compressor models, particularly Atlas Copco [1], which are widely used in the production of thermal insulation materials. Key requirements for a modern electric drive are defined: high control accuracy, energy efficiency, reduction of operating costs, and ensuring long-term reliable operation [2]. The first chapter examines the object of research – the electric drive of an Atlas Copco compressor – and formulates the technical task for its modernization. The structure of the electric drive is analyzed, and its shortcomings are identified in the context of current industrial equipment standards. A comparison of different control systems for asynchronous motors is presented, leading to the justification of vector control as the most effective modernization approach [3]. The second chapter focuses on the development of a mathematical model of the compressor’s electric drive. Simulation of direct start-up of the asynchronous motor in different coordinate systems (abc, бв, dq) is performed, allowing the study of the motor’s dynamic characteristics and the determination of optimal start-up conditions. The principles and features of implementing vector control are considered, including coordinate transformations, implementation of current and speed controllers, and generation of control signals for the power converter [4]. The third chapter describes the creation of a simulation model of the vector-controlled electric drive system in the Matlab Simulink environment. A series of experiments is conducted to simulate system performance under various dynamic and load conditions. Based on the results, control parameters are optimized to ensure stable and precise compressor operation. The results confirm a reduction in inrush currents, improved smoothness of start-up, and better speed regulation. A separate chapter is devoted to occupational safety and health aspects related to electric drives in industrial settings. Major risks associated with compressor operation are discussed, and mitigation measures are proposed, including the implementation of protections against overvoltage, overheating, and short circuits. The final chapter contains a technical and economic feasibility study of the proposed modernization. An analysis of implementation costs, energy savings, reduced maintenance expenses, and increased compressor service life is provided. It is proven that the upgraded electric drive ensures a reduction in overall operating costs and offers a quick return on investment. Future work includes the development of a sensorless vector control system. The study object is the asynchronous electric drive of the Atlas Copco compressor. The scope of research is the vector control system of the asynchronous motor as part of the compressor unit. The goal of research is to modernize the compressor’s electric drive by implementing an automatic control system based on the vector control principle, which will increase energy efficiency and improve performance characteristics. In the future, the development of sensorless vector control algorithms is planned.