RUS | UKR | FR ДонНТУ | Портал магістрів ДонНТУ
Магістр ДонНТУ Новиченко Крістіна Володимирівна

Новиченко Крістіна Володимирівна

Електротехнічний факультет

Кафедра "Електропривод та автоматизація промислових установок"

Спеціальність "Електромеханічні системи автоматизації та електропривод"

"Розробка алгоритму керування електромеханічними системами насосної станції, що містить привідні асинхронні та синхронні двигуни"

Науковий керівник: к.т.н., проф. Борисенко Володимир Пилипович

Реферат на тему випускної роботи

Зміст

  1. Актуальність теми
  2. Мета
  3. Задачі
  4. Наукова значимість
  5. Практична цінність
  6. Основна частина
  7. Способи регулювання тиску і продуктивності насосної станції
  8. Компенсація реактивної потужності за допомогою синхронних машин
  9. Висновок
  10. Література

Актуальність теми


  Синхронні двигуни (СД) в даний час отримують все більше поширення. У електроприводі (ЕП) насосної станції вони можуть використовуватися як у якості приводного електродвигуна для насоса, так і як компенсуючий пристрій. У даній роботі СД використовується в якості останнього. Проблема компенсації реактивної потужності є актуальною в даний час у комплексі питань підвищення ефективності передачі, розподілу та споживання електроенергії. Вірне рішення даної проблеми дозволяє зменшити матеріальні витрати і підвищити економічну ефективність. Тому логічно для забезпечення високого коефіцієнта потужності в електромеханічній системі насосної станції разом з АД використовувати СД. Сьогодні найбільше розповсюдження серед компенсуючих пристроїв отримали автоматичні конденсаторні установки. Однак, незважаючи на властиві їм позитивні якості, дані установки мають ряд суттєвих недоліків. Саме тому іноді доцільніше в якості компенсуючого пристрою використовувати синхронні машини. Вони, у свою чергу, дозволяють ліквідувати недоліки, характерні для конденсаторних установок. Іншими словами, синхронні машини дозволяють плавно регулювати потужність, тому немає необхідності в додатковій комутаційній апаратурі. Вони не тільки генерують, а й споживають реактивну потужність. У цьому й полягає технічна доцільність застосування синхронних двигунів для компенсації.


Мета


  Показати доцільність застосування синхронних двигунів у електромеханічної системі насосної станції для забезпечення високого коефіцієнта потужності і підтримки постійної продуктивності.


Щоб досягнути поставленої мети, необхідно вирішити наступні задачі:

Наукова значимість проекту полягає у розробці алгоритму керування електромеханічною системою насосної станції, за допомогою якого можна забезпечити підтримання високого і постійного коефіцієнта потужності та постійної продуктивності. Це може бути здійснено шляхом одночасного використання асинхронних і синхронних двигунів.


Практична цінність


  Вирішення цієї задачі дозволить вирішити важливу народо-господарську проблему підвищення економічності використання насосних станцій.


Основна частина


  Насосні станції – це комплекс однотипних механізмів, які працюють на загальну магістраль. Число механізмів, що одночасно включаються на спільну роботу, в першу чергу, залежить від вимог до продуктивності станції.

  Основними параметрами, які характеризують роботу насосної станції, є тиск (напір) і продуктивність.

  Тиск – різниця питомих енергій рідини в напірному та всмоктуючому патрубках насоса, яка необхідна для підйому рідини на задану висоту і для подолання сил тертя в трубопроводі.

  Режимом роботи насосної станції називається певний порядок роботи її обладнання відповідно до умов роботи системи, що змінюються, в цілому [1, с.18].

  Продуктивність насоса визначається об'ємом рідини, який перекачує насосна установка за одиницю часу.

  При налагодженні та експлуатації насосних установок часто необхідно регулювати їх параметри. Першорядним параметром є продуктивність. Рідше регулюють натиск. Під регулюванням розуміють довільну зміну параметрів таким чином, щоб можна було отримати необхідні їх значення.

  Під час роботи насосних установок без регулювання їхніх параметрів можуть виникати різні несприятливі ситуації. Так, наприклад, при відсутності регулювання продуктивності в напірному трубопроводі виникає надлишковий тиск, коли витрата дуже мала. У даному випадку виникають наступні проблеми:

  Насос і зовнішня мережа представляють собою єдину систему, матеріальний і енергетичний баланс якої визначає її рівноважний стан. Матеріальний баланс являє собою рівність подачі насоса і витрати у зовнішній мережі, а енергетичний баланс – рівність напору насоса і напору, який споживає мережа. Рівність матеріального та енергетичного балансу графічно можна представити як перетин характеристик насоса та мережі. При перетині цих характеристик існує тільки одна точка, що характеризує стійку рівновагу. Саме характеристики системи та спосіб регулювання її параметрів визначають ефективність насосної установки в її робочому діапазоні. Для забезпечення ефективної роботи системи необхідно, щоб ККД у робочій точці був максимальний. Так, наприклад, при зміні напору або витрати потрібно регулювати механічну характеристику насоса або системи в цілому.

  Таким чином, виникає завдання розгляду існуючих способів регулювання тиску і продуктивності насосної станції.


Способи регулювання тиску і продуктивності насосної станції


  Існує велика кількість різноманітних способів регулювання основних параметрів насосних станцій, які можна розділити на дві групи: кількісні та якісні методи. Однак дослідимо тільки найбільш поширені з них. Для прикладу розглянемо спрощену гідравлічну схему насосної станції, яка містить три насоси (рис. 1).

Спрощена гідравлічна схема насосної станції

Рисунок 1 – Спрощена гідравлічна схема насосної станції


  Найбільш простим якісним способом регулювання є дроселювання напірної і усмоктувальної сторони трубопроводу. Дроселювання представляє собою зменшення перетину трубопроводу, через який проходить рідина. Для цього використовуються спеціальні шайби або засувки (крани, вентилі). Найчастіше в якості засувки використовується клапан, необхідний для від'єднання насоса від мережі на період ремонтних робіт. Саме завдяки відсутності додаткових конструктивних складових даний спосіб є найбільш простим. Однак, поряд з цим дроселювання – економічно невигідний спосіб регулювання. При регулюванні за допомогою напірної засувки цей недолік проявляється в тому, що натиск, створюваний насосом, в значній мірі витрачається на опір самої засувці, що тягне за собою розсіювання частини енергії на засувці. Іншими словами, це впливає на ККД системи, який стає менше ККД насоса. Характеристики насоса та мережі при дроселюванні з використанням напірної засувки представлені на рисунку 2 [3, 9].

Характеристики насоса та мережі при регулюванні дроселюванням напірної сторони трубопроводу

Рисунок 2 – Характеристики насоса та мережі при регулюванні дроселюванням напірної сторони трубопроводу


  Також застосовують регулювання при встановленні дросельної засувки на усмоктувальної стороні насоса. У даному випадку відбувається обмеження припливу рідини, через що насос не може забезпечити необхідну витрату, тому що частина енергії витрачається на подолання опору засувки. Даний спосіб є більш економічно вигідним, проте тут необхідно враховувати обмеження з підтримання висоти всмоктування на необхідному рівні, що забезпечує нормальну роботу насоса. При значному та тривалому перевищенні необхідного рівня може виявлятися явище кавітації, що призводить до нестійкої роботи системи, а також може призвести до зриву роботи насоса. Хоча регулювання на усмоктувальної стороні вважається кілька кращим з енергетичної точки зору, ніж на напірній стороні, воно також негативно відбивається на ККД системи. Характеристики насоса та мережі при дроселюванні такого типу представлені на рисунку 3 [4].

Характеристики насоса та мережі при регулюванні дроселюванням усмоктувальної сторони трубопроводу

Рисунок 3 – Характеристики насоса та мережі при регулюванні дроселюванням усмоктувальної сторони трубопроводу


  Найпоширенішим кількісним методом є регулювання роботи насосної станції зміною числа насосів, що працюють паралельно (каскадний спосіб). Даний спосіб застосовується, коли потрібно різко збільшити подачу. Паралельною роботою кількох насосів називається одночасна подача рідини в загальний напірний трубопровід. Найбільш часто використовується регулювання при паралельній роботі насосів з однаковими характеристиками. Основною умовою паралельної роботи насосів є те, що витрата в системі повинна дорівнювати сумі подач всіх працюючих насосів, при цьому напори, які розвивають насоси, практично однакові. Однак необхідно відзначити, що сумарна подача системи паралельно працюючих насосів менше суми подач кожного насоса, що працює індивідуально на цю ж систему. Експлуатацію такої системи вважають тим ефективнішою з енергетичної точки зору, чим більше насосів увімкнено на паралельну роботу. Так як при використанні двох насосів, а тим більше одного насоса, збільшуються витрати на аварійний резерв системи, втрати енергії, тобто ККД значно зменшується, а також погіршуються кавітаційні умови роботи системи [5].

  Серед якісних способів регулювання можна виділити зміну частоти обертання робочого колеса насоса (частотне регулювання). Даний спосіб регулювання вважається найбільш економічно ефективним. Він не вимагає зміни характеристики системи, але в той же час виникає необхідність застосування приводу з регульованою частотою обертання, або використання спеціальних додаткових пристроїв, таких як гідромуфти, електромагнітні муфти ковзання та ін. У привод повинні входити електродвигуни, частоту обертання яких можна регулювати.

  Найбільш поширене на практиці застосування асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором, частоту обертання яких регулювати неможливо. Тому для зміни частоти обертання робочого колеса насоса застосовують або перемикання числа пар полюсів двигунів, або зміну частоти мережі. В даний час найчастіше використовуються асинхронні короткозамкнені двигуни (АД) з перетворювачами частоти (рисунок 4). Цей спосіб є найбільш ефективним [6, 7].

Модель АД в ортогональній системі координат, орієнтованої за потокозчепленням ротора

Рисунок 4 – Модель АД в ортогональній системі координат, орієнтованої за потокозчепленням ротора


  Вплив зміни швидкості відцентрового насоса на його параметри можна простежити за наступними рівняннями:


  Рівняння, які справедливі за умови, що характеристика системи і для nH1, і для nH2 залишається незмінною, і ККД залишається постійним, можна описати так: подача лінійно залежить від частоти обертання колеса насоса, натиск залежить від квадрата частоти обертання, а споживана потужність прямо пропорційна кубу частоти обертання. Отже, споживання електроенергії пропорційно кубу продуктивності насоса [10].

  Також для регулювання частоти обертання робочого колеса насоса можна використовувати електронні перетворювачі частоти, які забезпечують якісне управління асинхронними двигунами в широкому діапазоні частот.

  Застосування перетворювачів частоти забезпечує плавність зміни продуктивності, а також виключає можливість виникнення гідравлічних ударів, що дозволяє підвищити надійність роботи не тільки самої насосної станції, але і трубопроводу і арматури.

  Типові характеристики для випадку частотного регулювання приводними двигунами насосів представлені на рисунку 5.

Q-H характеристики насосів при частотному регулюванні приводним двигуном (f=var) и сумарні характеристики Q-H насосів (Н1+Н2) при f=f<sub>н</sub>=50Гц и f<sub>1</sub>, f<sub>2</sub><50Гц

Рисунок 5 – Q-H характеристики насосів при частотному регулюванні приводним двигуном (f=var) и сумарні характеристики Q-H насосів (Н1+Н2) при f=fн=50Гц и f1, f2<50Гц


  Комбінацією останніх двох типів регулювання є каскадно-частотне регулювання, яке також широко застосовується. Його перевагою в порівнянні з традиційними способами регулювання можна назвати можливість зниження споживання енергії насосною станцією на 50%. В даний час широке поширення отримав спрощений спосіб каскадно-частотного регулювання. Його суть полягає в наступному. Перетворювач частоти управляє лише одним насосом, а інші насоси отримують від нього команду на пуск і останов в міру необхідності. Привабливість такого способу полягає в його простоті і надійності, а також в незначній кількості обладнання, необхідного для створення автоматизованої насосної станції.


Компенсація реактивної потужності за допомогою синхронних машин


  Для штучної компенсації реактивної потужності застосовуються спеціальні компенсуючі пристрої, які є джерелами реактивної енергії ємнісного характеру.

  Серед існуючих способів компенсації реактивної потужності можна виділити наступні:

  Далі докладніше розглянемо тільки два з них, а саме ті, які можна здійснити за допомогою синхронних машин.

  Перше – це використання синхронних двигунів (рисунок 6), які мають ряд переваг перед асинхронними:

Модель СД в ортогональній системі координат

Рисунок 6 – Модель СД в ортогональній системі координат


  Характер і значення реактивної потужності синхронного двигуна визначаються величиною струму збудження в обмотці його ротора. На рисунку 7 приведена так звана U-образна характеристика синхронного двигуна, що представляє собою залежність струму статора I від струму збудження I в при P = const. Ліва гілка кривої відповідає недозбудженню двигуна; в цьому режимі він, як і асинхронний, являє собою активне і індуктивне навантаження мережі. Права гілка кривої відповідає режиму перезбудження; в цьому режимі двигун являє собою активне і ємнісне навантаження, тобто працює не тільки як двигун, але і як компенсатор реактивної потужності. Мінімальне значення струму статора має місце при значенні cosφ=1.

U-образні характеристики синхронного двигуна

Рисунок 7 – U-образні характеристики синхронного двигуна


  З цих кривих випливає, що робота синхронного двигуна з точки зору теплового режиму з cosφ=1 можлива завжди, навіть при 100%-ому активному навантаженні на його валу. При цьому двигун не споживає з мережі реактивної потужності. Саме цим і пояснюється доцільність використання синхронних двигунів замість асинхронних тієї ж потужності у всіх випадках, коли це допускається технологією. У випадку, якщо двигун призначений для нормальної роботи в режимі перезбудження, тобто з так званим випереджаючим коефіцієнтом потужності, то він навіть при 100%-ому завантаженні активним струмом може компенсувати реактивне навантаження мережі. Номінальний струм збудження при даному навантаженні на валу двигуна і даній напрузі на його затискачах забезпечує найбільшу компенсуючу здатність двигуна.

  Компенсуюча здатність синхронного двигуна характеризується відношенням реактивної потужності, що віддається двигуном в мережу (квар), до повної потужності двигуна (кВА). Її не слід підвищувати на тривалий час шляхом збільшення струму збудження понад номінального значення, щоб уникнути перегріву ротора. (Короткочасне збільшення струму збудження понад номінального – форсировка збудження – застосовується для підвищення стійкості, зниження коливань реактивної потужності та напруги в мережі, яка живить електроприймачі з резкозмінним графіком навантаження і для ряду інших цілей.) Єдино можливим шляхом збільшення компенсуючої здатності на тривалий період є зниження активного навантаження двигуна при незмінному струмі збудження, рівному номінальному. При цьому у разі необхідності (при зниженні реактивного навантаження в мережі) компенсуюча здатність може бути зменшена шляхом зменшення струму збудження.

  Необхідність неповного завантаження двигуна для підвищення його компенсуючої здатності понад номінальної призводить до використання більш потужних, а, отже, і більш дорогих двигунів, ніж це необхідно з точки зору забезпечення технологічного процесу. У зв'язку з цим доцільність такого способу компенсації реактивної потужності повинна бути підтверджена техніко-економічними розрахунками.

  Доцільна величина реактивної потужності синхронного двигуна визначається з умови мінімуму витрат на компенсацію; вона суттєво залежить від питомої витрати активної потужності на компенсацію (кВт/квар), що зветься питомими втратами активної потужності. Зі зменшенням номінальної потужності і частоти обертання синхронних двигунів величини питомих втрат значно зростають. Тому використання в ланцюгах компенсації тихохідних двигунів менш доцільно, ніж швидкохідних.

  Використання синхронних двигунів тільки для компенсації допускається лише як виняток за спеціальним дозволом енергосистеми, тому що при цьому питомі втрати активної потужності на 1 квар виходять досить високими – у кілька разів більшими, ніж при використанні двигуна для приводу робочих механізмів. Це пояснюється двома обставинами. По-перше, в такому режимі всі втрати в двигуні, рівні втратам холостого ходу, можуть розглядатися як витрата активної потужності на вироблення реактивної. По-друге, синхронні двигуни, що не несуть активного навантаження, як і генератори, не можуть у зв'язку з розмагнічуючою реакцією якоря видати реактивну потужність, рівну їх повної номінальної потужності; при цьому гранична реактивна потужність ненавантаженого синхронного двигуна становить залежно від його конструкції тільки 60-80% його повної номінальної потужності [8].

  Інший спосіб – це компенсація за допомогою синхронних компенсаторів, які представляють собою спеціальні синхронні машини, призначені тільки для вироблення або споживання реактивної потужності. Вони призначені тільки для генерації та споживання реактивної потужності. Вигідно застосовувати синхронні компенсатори, коли потрібно плавний і швидкодіючий засіб регулювання реактивної потужності та напруги в мережі. Найбільш широко вони застосовуються при наявності різкозмінного реактивного навантаження.


Висновок


  На даний момент розглянуті існуючі способи регулювання тиску і продуктивності насосної станції, а також проаналізовані з точки зору техніко-економічних показників. Проведено порівняльний аналіз різних способів компенсації. Показано переваги і недоліки використання синхронних машин для компенсації. Розроблено моделі регульованого електропривода за схемою ПЧ-АД і ПЧ-СД і досліджена динаміка роботи цих систем. Також зараз ведеться розробка моделі насосної станції.

Важливе зауваження

  Під час написання даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2011 р. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.


Литература

  1. Лезнов Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. – М.: Энергоатомиздат, 2006. – 360с.: ил.
  2. Регулируемый электропривод [електронний ресурс]. – Режим доступу: 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 [електронний ресурс]. – Режим доступу: 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. [електронний ресурс]. – Режим доступу: 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. [електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.ggd.snu.edu.ua/files/books/teor_osn_hidr.pdf.
Резюме | Біографія | Реферат
ДонНТУ | Портал магістрів ДонНТУ