Автоматизированный электропривод насоса ЭЦВ8-40-125

Основными потребителями электроэнергии в нашей стране являются производственные предприятия и объекты ЖКХ. Подавляющее количество электроэнергии потребляется электроприводами насосов и вентиляторов. Особенно ярко эта тенденция выражена в секторе ЖКХ. В условиях реформирования ЖКХ, перевода этой отрасли на режим самоокупаемости, возникает острая проблема повышения энергоэффективности этой отрасли, снижения аварийности, повышения качества услуг при одновременном снижении затрат на их предоставление. Без решения этой проблемы невозможна не только эффективная, устойчивая работа городской инфраструктуры систем жизнеобеспечения населения, но и её надёжное, безопасное функционирование. Без энергоэффективной работы предприятий ЖКХ невозможно привлечение инвестиций в эту отрасль, недостижимо улучшение качества жилищно-коммунальных услуг, адресная социальная защита населения при оплате жилищно-коммунальных услуг. Необходим переход на качественно новый уровень предоставления жилищно-коммунальных услуг при снижении нерациональных затрат. Одним из наиболее эффективных методов решения этой комплексной проблемы является внедрение современных систем частотного регулирования электроприводов и систем автоматизации. Именно эти методы позволяют в условиях высокой степени износа материально-технической базы ЖКХ резко повысить энергоэффективность работы, повысить качество предоставляемых услуг и существенно снизить аварийность, высвобождая средства для рефинансирования и планомерного обновления оборудования и капитального ремонта коммуникаций.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Насос — гидравлическая машина, в которой энергия привода преобразуется в энергию жидкости. Гидравлическими машинами называются технические устройства, преобразующие механическую энергию привода в механическую энергию жидкости, или, наоборот, механическую энергию жидкости в механическую энергию привода.

Функцией повысительных насосных станций является поддержание заданного графика давления в напорном трубопроводе. Насосные станции обычно работают в режимах, которые отличаются от режимов, первоначально заложенных в проект. Насосные агрегаты установлены с учётом максимального расхода, который возникает как при пиковых значениях потребления воды в утренние и вечерние часы, так и в экстремальной ситуации (например, пожар). Если регулирование производительности насосных агрегатов не производится, при минимальном расходе в напорном трубопроводе возникает избыточное давление.

Это вызывает:

непроизводительные потери электроэнергии на создание избыточного давления;

потери воды за счет избыточного расхода, утечек на негерметичных стыках;

большие затраты на ремонт и замену электродвигателей, насосов и контактной аппаратуры в связи с необходимостью прямых пусков;

затраты на устранение аварий трубопроводов в связи с избыточными напорами и гидроударами;

низкое качество водоснабжения, которое выражается в неравномерном давлении и высокой вероятности отсутствия воды;

избыточный расход воды населением за счет создания запаса на случай отключения подачи воды.

Согласно теме курсового проекта, рассматриваем автоматизированный электропривод насоса первого подъема ЭЦВ8−40−125 с системой электропривода — преобразователь частоты на базе инвертора напряжения — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Агрегат электронасосный ЭЦВ предназначен для подъема питьевой воды из артезианских скважин с целью осуществления городского, промышленного и сельскохозяйственного водоснабжения, орошения и других подобных работ.

Обозначение: ЭЦВ8−40−125,

где ЭЦВ — тип электроагрегата;

8 — внутренний диаметр обсадной трубы в дюймах;

40 — номинальная подача, ;

125 — номинальный напор, .

Агрегат состоит из асинхронного электродвигателя, и многосекционной центробежной насосной части, соединенных между собой жесткой муфтой. Ротор насоса и ротор электродвигателя вращаются в резинометаллических подшипниках. В днище электродвигателя расположен упорный подшипник, воспринимающий осевую нагрузку. На входе в насосную часть установлена защитная сетка-фильтр, предохраняющая насос от попадания крупных механических частиц. Электродвигатель водозаполненный с короткозамкнутым ротором, с синхронной частотой вращения 3000 об/мин. «Беличья клетка» ротора выполнена из меди. Обмотка статора выполнена водостойким проводом. Охлаждение электродвигателя осуществляется перекачиваемой водой. Агрегат подключается к трехфазной сети 380 В, 50Гц через станцию управления и защиты, предохраняющую электродвигатель от работы в нештатных режимах. Подключение производить кабелем ВПВ сечением, соответствующим потребляемому току.

Технические характеристики агрегата:

2. АНАЛИЗ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ДАННОГО ТИПА ТПМ

Для установок сравнительно небольшой мощности (7−10 кВт) задача регулирования успешно решается с помощью системы регулятор напряжения — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. В качестве регулятора напряжения часто применяют тиристорный коммутатор (Рисунок 1, а). Вентиляторная механическая характеристика нагрузки позволяет обеспечить устойчивую работу электропривода по системе ТК — АД в достаточно большом диапазоне скорости без обратных связей (Рисунок 1, б).

Обычно изменение технологического режима, в котором участвует регулируемый электропривод, протекает достаточно медленно и не требует от привода высокого быстродействия. Поэтому в качестве регулятора напряжения может быть использован и трехфазный магнитный усилитель МУ, включенный в цепь статора (Рисунок 2−7).

Рисунок 1 — Схема (а) и механические характеристики (б) системы ТК — АД с вентиляторной нагрузкой на валу Рисунок 2 — Схема системы МУ — АД Этот аппарат хотя и обладает магнитной инерционностью, однако отличается простотой исполнения и надежностью в работе. Магнитный усилитель с внутренней положительной обратной связью по току (с самоподмагничиванием) работает в режиме, близком к режиму регулятора напряжения. Поэтому механические характеристики такой системы привода аналогичны характеристикам системы ТК — АД.

Развитие полупроводниковой техники позволяет в настоящее время реализовать импульсный способ регулирования скорости асинхронного двигателя. На Рисунке 2, а приведена принципиальная схема включения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с импульсным изменением активного сопротивления его статорной цепи. Тиристорный ключ ТК, замыкаясь на время и размыкаясь на время, изменяет среднее за цикл коммутации значение дополнительного сопротивления. Сопротивление пропорционально скважности широтно-импульсной модуляции

(2−16)

Рисунок 3 — Схема (а) и механические характеристики (б) системы импульсного регулирования сопротивления в статорной цепи Регулируя скважность, можно получить семейство механических характеристик электропривода, изображенных штриховыми линиями на Рисунке 3, б, причем при и при. Параметр зависит от управляющего напряжения на входе системы управления тиристорным ключом СУ. Так как критическое скольжение двигателя уменьшается при увеличении, то диапазон скоростей устойчивой работы привода даже при «вентиляторной» характеристике механизма оказывается весьма незначительным.

Введение

отрицательной обратной связи по скорости обеспечивает жесткие характеристики и устойчивую работу замкнутой системы электропривода в требуемом для механизма диапазоне скоростей. Механические характеристики электропривода с обратной связью по скорости показаны на Рисунке 2−3,б сплошными линиями для трех значений задающего напряжения. Регулируемые привода многих механизмов центробежного типа работают в тяжелых условиях окружающей среды, что затрудняет использование коллекторных машин. Поэтому часто в качестве датчика обратной связи по скорости применяются тахогенераторы переменного тока.

При выполнении системы управления тиристорным ключом на постоянном токе управляющая обмотка ОУ однофазного тахогенератора ТГ соединяется с системой управления тиристорным ключом СУ через согласующий элемент СЭ, который в простейшем случае для нереверсивного привода представляет собой выпрямительный мост.

Общим недостатком рассмотренных вариантов регулируемого электропривода является выделение потерь скольжения при снижении скорости в самом двигателе. Эти потери вызывают дополнительный нагрев двигателя и требуют соответствующего завышения установленной мощности двигателя. Вопрос об определении необходимого завышения номинальной мощности будет рассмотрен ниже.

В установках, где по условиям эксплуатации допустимо применение асинхронного двигателя с фазным ротором, возможности регулируемого электропривода расширяются.

Введение

дополнительного сопротивления в цепь ротора позволяет вывести часть потерь скольжения из обмоток двигателя. Благодаря этому снижается необходимое завышение габарита двигателя и появляется возможность расширить диапазон мощностей привода при рассмотренных выше способах регулирования скорости. Например, импульсный способ регулирования окажется более целесообразным применительно к коммутации дополнительного сопротивления в роторной цепи (Рисунок 4, а). При этом механические характеристики привода обеспечивают устойчивую работу в достаточно большом диапазоне скоростей при разомкнутой системе электропривода (Рисунок 4, б). По своим характеристикам данный способ аналогичен реостатному. Его достоинство по сравнению с реостатным способом — возможность плавного регулирования сопротивления.

электропривод управление насос двигатель Рисунок 4 — Схема (а) и механические характеристики (б) системы импульсного регулирования сопротивления в роторе Для мощных приводов находят применение асинхронные и синхронные двигателя в сочетании с регулируемыми муфтами скольжения. В варианте электропривода с гидромуфтой угловая скорость ведомой полумуфты изменяется за счет изменения подачи жидкости в полости муфты. По экономичности данный способ регулирования аналогичен реостатному. Потери мощности скольжения выносятся при этом из роторной цепи двигателя и выделяются в муфте. Механические характеристики электропривода с гидромуфтой показаны на Рисунке 2−5. Скорость ведомой полумуфты, соединенной с валом механизма, изменяется согласно с его характеристикой и характеристикой муфты.

Рисунок 5 — Механические характеристики электропривода с гидромуфтой Наиболее эффективный способ регулирования предусматривает изменение скорости вращения рабочего колеса насоса. Благодаря этому можно обеспечить требуемый напор во всей области регулирования, не ухудшая при этом КПД насоса в сравнении с дросселированием. На рисунке 2−6 показано, как изменяется механическая характеристика насоса в зависимости от частоты вращения электродвигателя.

Рисунок 6

Физический принцип действия циркуляционных насосов определяет законы подобия для основных характеристик насоса: производительность насоса Q линейно зависит от скорости вращения колеса, создаваемый при этом напор ДH зависит от квадрата скорости, и, соответственно, требуемая при этом механическая мощность P зависит от куба скорости. Таким образом, потребление электроэнергии при частотном регулировании пропорционально кубу производительности насоса. Регулирование скорости вращения рабочего колеса насоса возможно с помощью электронных преобразователей частоты, которые обеспечивают качественное управление асинхронными электродвигателями в широком диапазоне изменения частоты. При этом с помощью преобразователя частоты по сигналу от датчика давления, установленного в напорном трубопроводе, можно автоматически изменять частоту вращения рабочего колеса насоса, оперативно реагируя на изменение расхода жидкости и обеспечивая поддержание заданного давления с высокой точностью. Применение преобразователей частоты обеспечивает следующие преимущества по сравнению с другими методами:

эффективное использование асинхронных электродвигателей, дешевых в эксплуатации и ремонте;

КПД электродвигателя во всем диапазоне регулирования максимально соответствует КПД электродвигателя в номинальном режиме;

КПД преобразователя 95 — 98%, коэффициент мощности около 1,0;

плавный пуск электродвигателя, отсутствие гидравлических ударов;

снижения уровня шума при пуске и работе;

автономная безопасная работа, интеграция в АСУ ТП.

Рисунок 7

Рисунок 7 даёт сравнение различных методов регулирования производительности насосов с точки зрения потребления электроэнергии.

Наибольшая эффективность применения преобразователей частоты проявляется на объёктах с большой суточной, сезонной переменной нагрузкой, расходом, т. е. требует большой глубины регулирования. При малых расходах воды насосный агрегат вращается на малой скорости, обеспечивающей поддержание номинального давления, потребляя при этом только то количество электроэнергии, которое необходимо для выполнения технологической задачи. При работе в энергоэффективном режиме экономится не только электроэнергия и ресурс оборудования, но и в зависимости от функции автоматизируемого объекта — вода, тепло.

Увеличение ресурса электродвигателя при этом способе регулирования напрямую связано с ресурсом подшипников, который определяется радиальными и осевыми нагрузками и частотой вращения. В общем случае можно пренебречь тем фактом, что при снижении частоты энергетическая составляющая вибрации уменьшается пропорционально квадрату, и в расчете ресурса подшипников учитывать только уменьшение скорости вращения. Именно благодаря регулированию скорости, в среднем в 2,5 — 3 раза, удаётся увеличить межремонтные интервалы насоса и электродвигателя.

3. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Исходные данные для расчета

Исходные данные:

Qном. =40 м3 /час;

Нном.т.м.=121м;

Нст.=113м.

Характеристики насоса показаны на Рисунках 8, 9, 10.

Рисунок 8 — Характеристика H=f (Q)

Рисунок 9 — Характеристика P=f (Q)

Рисунок 10 — Характеристика =f (Q)

Согласно показанным характеристикам насос имеет следующие номинальные параметры:

— номинальный напор насоса, ;

— номинальная подача насоса, ;

— номинальный напор магистрали, ,

— статический напор в сети (номинальная высота подъема), .

Так как магистраль в нашем случае со статическим напором, то ее характеристика имеет следующий вид:

.

Характеристика магистрали с естественной напорной характеристикой изображена на рисунке 11.

Рисунок 11 — Совместная работа турбомеханизма и магистрали

3.2 Расчет основных параметров насоса и двигателя

Определим мощность турбомеханизма в номинальном режиме

где .

Номинальный момент турбомеханизма

.

Определим угловую скорость двигателя, с которой начинается перекачка

.

Найдем момент инерции электропривода:

где .

С помощью характеристики P=f (Q) определяем отношение

.

Определим мощность, с которой начинается режим перекачивания

.

Определим момент с которого начинается режим перекачивания

.

Определим площади фигур для нахождения среднего момента:

.

Найдем средний статический момент:

;

Найдем средний пусковой момент:

.

Найдем средний динамический момент:

3.3 Проверка двигателя по прямому пуску

В нашем случае используется регулируемый электропривод с системой ПЧИН — АДКЗР. Но преобразователь частоты характеризуется значительно меньшей надежностью, чем двигатель. По этому требуется предусмотреть случай, когда преобразователь частоты выйдет из строя, и двигатель автоматически подключается на прямую к трехфазной сети, а параметры насоса регулируются установленной на выходе насоса задвижкой. Для этого двигатель должен подходить по условиям прямого пуска. Для двигателя, используемого в нашей системе ПЭДВ 20−180, не известен такой параметр, как скорость нарастания температуры. По этому предлагается выбрать двигатель такой же мощности серии 4А и проверить его по условиям прямого пуска. Зная, что наш двигатель погружной и всегда находиться под водой, можно сделать вывод, что охлаждение у него будет более лучшее. Таким образом выбираем двигатель 4А180М2У3, мощностью 22 кВт и синхронной угловой скоростью 3000 об/мин. Номинальное скольжение 2%, КПД номинальное 88,5%.

Принимаем температуру окружающей среды

.

Начальная температура

где номинальные потери в двигателе

номинальные потери в турбомеханизме

.

Найдем время пуска двигателя

.

Из справочника берем скорость нарастания температуры .

Температура двигателя при прямом пуске

.

Температура двигателя при прямом пуске не превышает допустимую температуру для данного класса изоляции двигателя F. Следовательно выбранный двигатель удовлетворяет условию .

3.4 Расчет и построение технологических характеристик механизма В нашем случае сеть со статическим напором. Следовательно имеет место 2 подрежима:

1. ;

Возьмем несколько промежуточных точек скорости:

Найдем потребляемую мощность турбомеханизма в 1-й точке без учета механических потерь

.

Найдем суммарную мощность, потребляемую турбомеханизмом

.

Момент турбомеханизма без учета механических потерь

.

Суммарный момент турбомеханизма в первой точке

.

2.; .

В этом режиме имеет место перекачивание воды.

Разобьем этот промежуток на несколько точек Найдем номинальный расход в 1-й точке этого подрежима

.

Номинальный напор

.

Найдем фиктивную подачу в этой точке

.

Для этой подачи по диаграмме =f (Q) (Рисунок 3.2) определяем фиктивный КПД агрегата .

Найдем фиктивный КПД насоса

Находим потребляемую мощность турбомеханизма в этой точке без учета механических потерь

.

Находим суммарную мощность, потребляемую турбомеханизмом в данной точке

.

Найдем момент турбомеханизма без учета механических потерь

.

Находим суммарный момент турбомеханизма в данной точке

.

Расчеты для остальных точек приведены в таблице 1.

Таблица 1

Построим рассчитанные характеристики, , ,

Рисунок 12 — Характеристики

Рисунок 13 — Характеристики

Рисунок 14 — Характеристики

Рисунок 15 — Характеристики

3.4 Расчет и построение искусственных характеристик турбомеханизма при регулировании скорости

Требуется найти скорости при регулировании расхода от до. Найдем скорость для всех точек регулирования:

1.

Скорость в относительных еденицах Тогда напорная искусственная характеристика для первой точки будет вычисляться по формуле

.

2.

Скорость в относительных еденицах Тогда напорная искусственная характеристика для первой точки будет вычисляться по формуле

.

3.

Скорость в относительных еденицах Тогда напорная искусственная характеристика для первой точки будет вычисляться по формуле

.

4.

Скорость в относительных еденицах Тогда напорная искусственная характеристика для первой точки будет вычисляться по формуле

.

5.

Скорость в относительных еденицах

Тогда напорная искусственная характеристика для первой точки будет вычисляться по формуле

.

6.

Скорость в относительных еденицах Тогда напорная искусственная характеристика для первой точки будет вычисляться по формуле

.

Требуемые точки для построения характеристик приведены в таблице 2.

Таблица 2

Искусственные характеристики турбомеханизма при регулировании скорости изображены на рисунке 16.

Рисунок 16 — Искусственные напорные характеристики турбомеханизма

3.5 Расчет и построение механических и электромеханических характеристик двигателя в режимах технологического регулирования

Для построения характеристик двигателя, требуются параметры схемы замещения асинхронного двигателя. Рассчитаем их по методике Б. И. Фираго.

Номинальный ток двигателя

.

Номинальное скольжение

.

Номинальная угловая скорость

.

Синхронная угловая скорость

.

Номинальный момент на валу двигателя

.

Номинальные потери в двигателе

.

Принимаем

.

Момент холостого хода

.

Электромагнитный номинальный момент

.

Переменные номинальные потери

.

Задаемся коэффициентом загрузки kз, m, соответствующим максимальному к.п.д. АД:

.

Переменные номинальные потери мощности

.

Постоянные потери мощности

.

Переменные номинальные потери мощности в обмотке статора

.

Активное сопротивление обмотки статора

.

Максимальное значение электромагнитного момента

.

Коэффициент

.

Сопротивление

.

Приведенное активное сопротивление фазы ротора

.

Индуктивное сопротивление короткого замыкания

.

Критическое скольжение

.

Коэффициент

.

Принимаем

.

Потери в стали

.

Ток холостого хода

.

Эквивалентное сопротивление намагничивающего контура

.

Синус холостого хода

.

Индуктивное сопротивление намагничивающего контура

.

Рассчитанные параметры указаны на эквивалентной однофазной схеме асинхронного двигателя:

Рисунок 17 — Схема замещения асинхронного двигателя Построим естественную механическую характеристику по формуле Клосса:

.

Значения для построения естественной характеристики двигателя приведены в таблице 3.

Таблица 3

Рисунок 18 — Естественная механическая характеристика двигателя

Искусственные механические характеристики построим исходя из значений скорости, которые были применены в п. 3.5.

Механические характеристики строим по формуле Клосса для закона частотного управления (так как диапазон регулирования скорости):

Угловая скорость вращения Приведем таблицы с рассчитанными точками для искусственных характеристик:

Таблица 4 — При Таблица 5 — При

Таблица 6 — При Таблица 7 — При

Таблица 8 — При Таблица 9 — При

Рисунок 19 — Искусственные характеристики двигателя

3.6 Расчет потребления электроэнергии насосным агрегатом с ПЧИН-АД и сравнение его с энергопотреблением при регулировании задвижкой

Рисунок 20 — Суточный график работы насоса

При регулировании задвижкой турбомеханизм работает только на естественной характеристике. Найдем потребляемую мощность турбомеханизмом при регулировании расхода

где определяется по естественной напорной характеристике по, КПД определяется следующим образом: находим по характеристике КПД агрегата и делим его на КПД двигателя, тем самым определяем КПД насоса.

Находим потери в двигателе

.

Найдем суммарную мощность

.

Таблица 10 — Расчет суммарного суточного энергопотребления при регулировании задвижкой

Для оценки потребляемой мощности при регулировании скорости произведем следующие расчеты. Найдем относительную скорость для подачи по следующей формуле Найдем относительную скорость

.

Найдем КПД двигателя

.

Найдем номинальные потери в двигателе

где берется из Рисунка 3.8 .

Таблица 11 — Расчет суммарного суточного энергопотребления насосного агрегата при регулировании скорости

Таким образом, суточная экономия электроэнергии при использовании ПЧИН-АД составляет по сравнению с регулированием задвижкой:

.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Ключев В. И., Терехов В. М. Электропривод и автоматизация промышленных механизмов: учебник для вузов. — М.: Энергия, 1980. — 360 с.

2. Лобачев П. В. Насосы и насосные станции: Учебник для техникумов. — 2-ое изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат. 1983. — 191 с.