RUS | UKR | FR ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ
Магистр ДонНТУ Новиченко Кристина Владимировна

Новиченко Кристина Владимировна

Электротехнический факультет

Кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок»

Специальность «Электромеханические системы автоматизации и электропривод»

«Разработка алгоритма управления электромеханическими системами насосной станции, содержащей приводные асинхронные и синхронные двигатели»

Научный руководитель: к.т.н., проф. Борисенко Владимир Филиппович

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

  1. Актуальность темы
  2. Цель
  3. Задачи
  4. Научная значимость
  5. Практическая ценность
  6. Основная часть
  7. Способы регулирования давления и производительности насосной станции
  8. Компенсация реактивной мощности с помощью синхронных машин
  9. Заключение
  10. Литература

Актуальность темы


  Синхронные двигатели (СД) в настоящее время получают все большее распространение. В электроприводе (ЭП) насосной станции они могут использоваться как в качестве приводного электродвигателя для насоса, так и как компенсирующего устройства. В данной работе СД используется в качестве последнего. Проблема компенсации реактивной мощности является актуальной в настоящее время в комплексе вопросов повышения эффективности передачи, распределения и потребления электроэнергии. Верное решение данной проблемы позволяет уменьшить материальные затраты и повысить экономическую эффективность. Поэтому логично для обеспечения высокого коэффициента мощности в электромеханической системе насосной станции наряду с АД использовать СД. Сегодня наибольшее распространение среди компенсирующих устройств получили автоматические конденсаторные установки. Однако, несмотря на присущие им достоинства, данные установки имеют ряд существенных недостатков. Именно поэтому иногда целесообразнее в качестве компенсирующего устройства использовать синхронные машины. Они, в свою очередь, позволяют ликвидировать недостатки, характерные для конденсаторных установок. Другими словами, синхронные машины позволяют плавно регулировать мощность, поэтому нет необходимости в дополнительной коммутационной аппаратуре. Они не только генерируют, но и потребляют реактивную мощность. В этом и заключается техническая целесообразность применения синхронных двигателей для компенсации.


Цель


  Показать целесообразность применения синхронных двигателей в электромеханической системе насосной станции для обеспечения высокого коэффициента мощности и поддержания постоянной продуктивности.


Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Научная значимость проекта заключается в разработке алгоритма управления электромеханической системой насосной станции, с помощью которого можно обеспечить поддержание высокого и постоянного коэффициента мощности и постоянной продуктивности. Это может быть осуществлено путем одновременного использования асинхронных и синхронных двигателей.


Практическая ценность


  Решение этой задачи позволит решить важную народно-хозяйственную проблему повышения экономичности использования насосных станций.


Основная часть


  Насосные станции представляют собой комплекс однотипных механизмов, которые работают на общую магистраль. Число механизмов, одновременно включаемых на совместную работу, в первую очередь, зависит от требований к производительности станции.

  Основными параметрами, которые характеризуют работу насосной станции, являются давление (напор) и производительность.

  Давление – разность удельных энергий жидкости в напорном и всасывающем патрубках насоса, необходимая для подъема жидкости на заданную высоту и для преодоления сил трения в трубопроводе.

  Режимом работы насосной станции называется определенный порядок работы ее оборудования в соответствии с изменяющимися условиями работы системы в целом [1, с.18].

  Производительность насоса определяется объемом жидкости, который перекачивает насосная установка за единицу времени.

  При наладке и эксплуатации насосных установок часто необходимо регулировать их параметры. Первостепенным параметром является производительность. Реже регулируют напор. Под регулированием понимают произвольное изменение параметров таким образом, чтобы можно было получить требуемые их значения.

  При работе насосных установок без регулирования их параметров могут возникать различные неблагоприятные ситуации. Так, например, при отсутствии регулирования производительности в напорном трубопроводе возникает избыточное давление, когда расход очень мал. В данном случае возникают следующие проблемы:

  Насос и внешняя сеть представляют собой единую систему, материальный и энергетический баланс которой определяет ее равновесное состояние. Материальный баланс представляет собой равенство подачи насоса и расхода во внешней сети, а энергетический баланс – равенство напора насоса и напора, который потребляет сеть. Равенство материального и энергетического баланса графически можно представить как пересечение характеристик насоса и сети. При пересечении этих характеристик существует только одна точка, характеризующая устойчивое равновесие. Именно характеристики системы и способ регулирования ее параметров определяют эффективность насосной установки в ее рабочем диапазоне. Для обеспечения эффективной работы системы необходимо, чтобы КПД в рабочей точке был максимален. Так, например, при изменении напора или расхода требуется регулировать механическую характеристику насоса или системы в целом.

  Таким образом, возникает задача рассмотрения существующих способов регулирования давления и производительности насосной станции.


Способы регулирования давления и производительности насосной станции


  Существует большое количество разнообразных способов регулирования основных параметров насосных станций, которые можно разделить на две группы: количественные и качественные методы. Однако исследуем только наиболее распространенные из них. Для примера рассмотрим упрощенную гидравлическую схему насосной станции, содержащей три насоса (рис. 1).

Упрощенная гидравлическая схема насосной станции

Рисунок 1 – Упрощенная гидравлическая схема насосной станции


  Наиболее простым качественным способом регулирования является дросселирование напорной и всасывающей стороны трубопровода. Дросселирование представляет собой уменьшение сечения трубопровода, через который проходит жидкость. Для этого используются специальные шайбы или задвижки (краны, вентили). Чаще всего в качестве задвижки используется клапан, необходимый для отсоединения насоса от сети на период ремонтных работ. Именно благодаря отсутствию дополнительных конструктивных составляющих данный способ является наиболее простым. Однако, наряду с этим дросселирование – экономически невыгодный способ регулирования. При регулировании с помощью напорной задвижки этот недостаток проявляется в том, что напор, создаваемый насосом, в значительной мере расходуется на сопротивление самой задвижке, что влечет за собой рассеивание части энергии на задвижке. Другими словами, это влияет на КПД системы, который становится меньше КПД насоса. Характеристики насоса и сети при дросселировании с использованием напорной задвижки представлены на рисунке 2 [3, 9].

Характеристики насоса и сети при регулировании дросселированием напорной стороны трубопровода

Рисунок 2 – Характеристики насоса и сети при регулировании дросселированием напорной стороны трубопровода


  Также применяют регулирование при установке дроссельной задвижки на всасывающей стороне насоса. В данном случае происходит ограничение притока жидкости, из-за чего насос не может обеспечить требуемый расход, так как часть энергии расходуется на преодоление сопротивления задвижки. Данный способ является более экономически выгодным, однако здесь необходимо учитывать ограничение по поддержанию высоты всасывания на требуемом уровне, обеспечивающем нормальную работу насоса. При значительном и длительном превышении требуемого уровня может проявляться явление кавитации, что приводит к неустойчивой работе системы, а также может привести к срыву работы насоса. Хотя регулирование на всасывающей стороне считается несколько лучшим с энергетической точки зрения, чем на напорной стороне, оно также негативно сказывается на КПД системы. Характеристики насоса и сети при дросселировании такого типа представлены на рисунке 3 [4].

Характеристики насоса и сети при регулировании дросселированием всасывающей стороны трубопровода

Рисунок 3 – Характеристики насоса и сети при регулировании дросселированием всасывающей стороны трубопровода


  Самым распространенным количественным методом является регулирование работы насосной станции изменением числа насосов, работающих параллельно (каскадный способ). Данный способ применяется, когда требуется резко увеличить подачу. Параллельной работой нескольких насосов называется одновременная подача жидкости в общий напорный трубопровод. Наиболее часто используется регулирование при параллельной работе насосов с одинаковыми характеристиками. Основным условием параллельной работы насосов является то, что расход в системе должен быть равен сумме подач всех работающих насосов, при этом напоры, которые развивают насосы, практически одинаковы. Однако необходимо отметить, что суммарная подача системы параллельно работающих насосов меньше суммы подач каждого насоса, работающего индивидуально на эту же систему. Эксплуатацию такой системы считают тем эффективнее с энергетической точки зрения, чем больше насосов включено на параллельную работу. Так как при использовании двух насосов, а тем более одного насоса, увеличиваются расходы на аварийный резерв системы, потери энергии, т.е. КПД значительно уменьшается, а также ухудшаются кавитационные условия работы системы [5].

  Среди качественных способов регулирования можно выделить изменение частоты вращения рабочего колеса насоса (частотное регулирование). Данный способ регулирования считается наиболее экономически эффективным. Он не требует изменения характеристики системы, но в то же время возникает необходимость применения привода с регулируемой частотой вращения, либо использование специальных дополнительных устройств, таких как гидромуфты, электромагнитные муфты скольжения и др. В привод должны входить электродвигатели, частоту вращения которых можно регулировать.

  Наиболее распространено на практике применение асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, частоту вращения которых регулировать невозможно. Поэтому для изменения частоты вращения рабочего колеса насоса применяют либо переключение числа пар полюсов двигателей, либо изменение частоты сети. В настоящее время чаще всего используются асинхронные короткозамкнутые двигатели (АД) с преобразователями частоты (рисунок 4). Этот способ является и наиболее эффективным [6, 7].

Модель АД в ортогональной системе координат, ориентированной по потокосцеплению ротора

Рисунок 4 – Модель АД в ортогональной системе координат, ориентированной по потокосцеплению ротора


  Влияние изменения скорости центробежного насоса на его параметры можно проследить по следующим уравнениям:


  Уравнения, которые справедливы при условии, что характеристика системы и для nH1, и для nH2 остается неизменной, и КПД остается постоянным, можно описать следующим образом: подача линейно зависит от частоты вращения колеса насоса, напор зависит от квадрата частоты вращения, а потребляемая мощность прямо пропорциональна кубу частоты вращения. Следовательно, потребление электроэнергии пропорционально кубу производительности насоса [10].

  Также для регулирования частоты вращения рабочего колеса насоса можно использовать электронные преобразователи частоты, которые обеспечивают качественное управление асинхронными двигателями в широком диапазоне частот.

  Применение преобразователей частоты обеспечивает плавность изменения производительности, а также исключает возможность возникновения гидравлических ударов, что позволяет повысить надежность работы не только самой насосной станции, но и трубопровода и арматуры.

  Типовые характеристики для случая частотного регулирования приводными двигателями насосов представлены на рисунке 5.

Q-H характеристики насосов при частотном регулировании приводным двигателем (f=var) и суммарные характеристики Q-H насосов (Н1+Н2) при f=f<sub>н</sub>=50Гц и f<sub>1</sub>, f<sub>2</sub><50Гц

Рисунок 5 – Q-H характеристики насосов при частотном регулировании приводным двигателем (f=var) и суммарные характеристики Q-H насосов (Н1+Н2) при f=fн=50Гц и f1, f2<50Гц


  Комбинацией последних двух типов регулирования является каскадно-частотное регулирование, которое также широко применяется. Его преимуществом по сравнению с традиционными способами регулирования можно назвать возможность снижения потребления энергии насосной станцией на 50%. В настоящее время широкое распространение получил упрощенный способ каскадно-частотного регулирования. Его суть заключается в следующем. Преобразователь частоты управляет только одним насосом, а остальные насосы получают от него команду на пуск и останов по мере необходимости. Привлекательность такого способа состоит в его простоте и надежности, а также в незначительном количестве оборудования, необходимого для создания автоматизированной насосной станции.


Компенсация реактивной мощности с помощью синхронных машин


  Для искусственной компенсации реактивной мощности применяются специальные компенсирующие устройства, являющиеся источниками реактивной энергии ёмкостного характера.

  Среди существующих способов компенсации реактивной мощности можно выделить следующие:

  Далее подробнее рассмотрим только два из них, а именно те, которые можно осуществить с помощью синхронных машин.

  Первое – это использование синхронных двигателей (рисунок 6), которые имеют ряд преимуществ перед асинхронными:

Модель СД в ортогональной системе координат

Рисунок 6 – Модель СД в ортогональной системе координат


  Характер и значение реактивной мощности синхронного двигателя определяются величиной тока возбуждения в обмотке его ротора. На рисунке 7 приведена так называемая U-образная характеристика синхронного двигателя, представляющая собой зависимость тока статора I от тока возбуждения Iв при P=const. Левая ветвь кривой соответствует недовозбуждению двигателя; в этом режиме он, как и асинхронный, представляет собой активную и индуктивную нагрузки сети. Правая ветвь кривой соответствует режиму перевозбуждения; в этом режиме двигатель представляет собой активную и емкостную нагрузки, т. е. работает не только как двигатель, но и как компенсатор реактивной мощности. Минимальное значение тока статора имеет место при значении cosφ=1.

U-образные характеристики синхронного двигателя

Рисунок 7 – U-образные характеристики синхронного двигателя


  Из этих кривых следует, что работа синхронного двигателя с точки зрения теплового режима с cosφ=1 возможна всегда, даже при 100%-ной активной нагрузке на его валу. При этом двигатель не потребляет из сети реактивной мощности. Именно этим и объясняется целесообразность использования синхронных двигателей вместо асинхронных той же мощности во всех случаях, когда это допускается технологией. В случае если двигатель предназначен для нормальной работы в режиме перевозбуждения, т. е. с так называемым опережающим коэффициентом мощности, то он даже при 100%-ной загрузке активным током может компенсировать реактивную нагрузку сети. Номинальный ток возбуждения при данной нагрузке на валу двигателя и данном напряжении на его зажимах обеспечивает наибольшую компенсирующую способность двигателя.

  Компенсирующая способность синхронного двигателя характеризуется отношением реактивной мощности, отдаваемой двигателем в сеть (квар), к полной мощности двигателя (кВА). Ее не следует повышать на длительное время путем увеличения тока возбуждения сверх номинального значения во избежание перегрева ротора. (Кратковременное увеличение тока возбуждения сверх номинального – форсировка возбуждения – применяется для повышения устойчивости, снижения колебаний реактивной мощности и напряжения в сети, питающей электроприемники с резкопеременным графиком нагрузки и для ряда других целей.) Единственно возможным путем увеличения компенсирующей способности на длительный период является снижение активной нагрузки двигателя при неизменном токе возбуждения, равном номинальному. При этом в случае необходимости (при снижении реактивной нагрузки в сети) компенсирующая способность может быть уменьшена путем уменьшения тока возбуждения.

  Необходимость неполной загрузки двигателя для повышения его компенсирующей способности сверх номинальной приводит к использованию более мощных, а, следовательно, и более дорогих двигателей, чем это необходимо с точки зрения обеспечения технологического процесса. В связи с этим целесообразность такого способа компенсации реактивной мощности должна быть подтверждена технико-экономическими расчетами.

  Целесообразная величина реактивной мощности синхронного двигателя определяется из условия минимума затрат на компенсацию; она существенно зависит от удельного расхода активной мощности на компенсацию (кВт/квар), называемого удельными потерями активной мощности. С уменьшением номинальной мощности и частоты вращения синхронных двигателей величины удельных потерь значительно возрастают. Поэтому использование в цепях компенсации тихоходных двигателей менее целесообразно, чем быстроходных.

  Использование синхронных двигателей только для компенсации допускается лишь как исключение по специальному разрешению энергосистемы, так как при этом удельные потери активной мощности на 1 квар получаются весьма высокими – в несколько раз большими, чем при использовании двигателя для привода рабочих механизмов. Это объясняется двумя обстоятельствами. Во-первых, в таком режиме все потери в двигателе, равные потерям холостого хода, могут рассматриваться как расход активной мощности на выработку реактивной. Во-вторых, синхронные двигатели, не несущие активной нагрузки, как и генераторы, не могут в связи с размагничивающей реакцией якоря выдать реактивную мощность, равную их полной номинальной мощности; при этом предельная реактивная мощность ненагруженного синхронного двигателя составляет в зависимости от его конструкции только 60-80% его полной номинальной мощности [8].

  Другой способ – это компенсация с помощью синхронных компенсаторов, которые представляют собой специальные синхронные машины, предназначенные только для выработки или потребления реактивной мощности. Они предназначены только для генерации и потребления реактивной мощности. Выгодно применять синхронные компенсаторы, когда требуется плавное и быстродействующее средство регулирования реактивной мощности и напряжения в сети. Наиболее широко они применяются при наличии резкопеременной реактивной нагрузки.


Заключение


  На данный момент рассмотрены существующие способы регулирования давления и производительности насосной станции, а также проанализированы с точки зрения технико-экономических показателей. Проведен сравнительный анализ различных способов компенсации. Показаны преимущества и недостатки использования синхронных машин для компенсации. Разработаны модели регулируемого электропривода по схеме ПЧ-АД и ПЧ-СД и исследована динамика работы этих систем. Также сейчас ведется разработка модели насосной станции.

Важное замечание

  При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.


Литература

  1. Лезнов Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. – М.: Энергоатомиздат, 2006. – 360с.: ил.
  2. Регулируемый электропривод [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.privod.ru/products/pumps/pump_polezn4.htm
  3. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.–Л.: Машиностроение, 1966. – 364с.
  4. Регулирование подачи насосов. Дросселирование [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.cawater-info.net/bk/pumps/qual/01.htm
  5. Турк В.И., Минаев А.В., Карелин В.Я. Насосы и насосные станции: Учебник для вузов. – М.: Стройиздат, 1976. – 304 с.
  6. GRUNDFOS Промышленное насосное оборудование, 2006. – 176 с. [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.grossen.ru/files/ae40b1b336bb8eb17d0e.pdf
  7. Карелин В. Я., Минаев А. В. Насосы и насосные станции: Учеб. для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1986. – 320 с.: ил.
  8. Константинов Б. А., Зайцев Г. 3. Компенсация реактивной мощности. – Л., Энергия, 1976. – 104с.
  9. Лобачев П. В. Насосы и насосные станции: Учебник для техникумов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1983. – 191 с.: ил.
  10. GRUNDFOS Теоретические основы гидравлики – 60 с. [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ggd.snu.edu.ua/files/books/teor_osn_hidr.pdf
Резюме | Биография | Реферат | Библиотека | Список ссылок | Отчет о поиске | Индивидуальный раздел
ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ