Русский   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

В даний час ефективне використання енергії в цілому і електрики зокрема, а також енергоефективність електроприводу виходять на перший план в контексті сьогоднішніх глобальних проблем економіки. Енергозбереження (раціоналізація виробництва енергії, розподілу і використання) в останні роки стало одним з важливих напрямків технічної політики у всіх країнах. Електропривод є основним споживачем електроенергії, приблизно 80% відсотків від енергії яку виробляють. Частина асинхронного електроприводу, в приводі механізмів і машин, становить близько 75% з тенденцією до постійного збільшення. Такий підйом був викликаний з одного боку завдяки застосуванню сучасних електропровідних і ізоляційних матеріалів у виробництві асинхронних двигунів, які дозволяють підвищувати його енергетичні характеристики, тим самим, забезпечуючи економію електроенергії в традиційних областях застосування асинхронних двигунів. А з іншого боку завдяки стрибку в сучасному рівні розвитку електроніки, який забезпечує виготовлення швидкодіючих, надійних, недорогих, простих в експлуатації перетворювачів частоти. Стало можливо використання регульованого електроприводу, за допомогою якого можна економити електроенергію, за рахунок більш точного обліку особливостей роботи виконавчих механізмів і поліпшення умов роботи самого асинхронного двигуна.

1. Актуальність теми

Дуже важливим пунктом є можливість зниження енергетичних витрат. Особливо це стосується великих підприємств в яких витрати в основному йдуть на постачання електродвигунів. Наприклад такі турбомеханізми як: насоси, вентилятори, компресори, використовують близько 25% усієї електроенергії. Через малу увагу, яка приділяється на створення енергоефективних та економічних режимів роботи насосних установок, значна частина електроенергії використовується не раціонально. Дослідження енергетичних показників і подальше зменшення витрат є актуальною темою на сьогоднішній день.

2. Мета і задачі дослідження, заплановані результати

Метою магістерської роботи є дослідження енергетичних показників регульованого електроприводу насосної установки і визначення найбільш ефективних методів їх поліпшення.

Завдання дослідження:

  1. Огляд літературних джерел по конструкції, характеристикам і енергетичними показниками центробіжних насосів.
  2. Огляд літературних джерел по частотному регулюванню швидкості електроприводів асинхронних електродвигунів.
  3. Розробка структури і складу стенду для дослідження енергетичних показників роботи центробіжного насосу з регульованим електроприводом.
  4. Проведення експериментальних досліджень на лабораторному стенді.
  5. Розробка рекомендацій щодо поліпшення енергетичних показників частотно регульованого електроприводу центробіжних насосів.

3. Огляд літературних джерел

3.1 Центробіжні насоси, їх конструкція, характеристики і енергетичні показники

Центробіжний насос – це насос для перекачування рідин, в якому рух рідини і необхідний натиск створюються за рахунок центробіжної сили, що виникає при впливі лопатей робочого колеса на рідину.

Центробіжні насоси поділяють наступним чином:

    • по числу ступенів (1 і 2-х ступінчасті) ;
    • по числу входів в робоче колесо (з 1 і 2-х стороннім входом);
    • по розташуванню робочого колеса щодо підшипникових опор валу (меж опорні, консольні);
    • розміщенням осі робочого колеса (вертикальне і горизонтальне);
    • за величиною коефіцієнта швидкохідності робочого колеса (тихохідні,нормальні, швидкохідні);
    • по компоновці насосного агрегату (роздільні, моноблочні);
    • за призначенням (хімічні, харчові, нафтові, конденсатні, і ін.)

Є різні варіації насосів, але найбільше поширення в промисловості отримали центробіжні насоси, завдяки таким перевагам як: рівномірність подачі, висока продуктивність, компактність і швидкохідні внаслідок можливості безпосереднього приєднання до електродвигуна, простота механізму. Так само можна згадати можливість виготовлення з хімічно стійких, та з матеріалів, що важко піддаються механічній обробці, можливість перекачування забруднених рідин і суспензій, можливість установки на легких фундаментах.Недоліками таких насосів є порівняно низькі розвиваються напори, а також сильний вплив опору мережі на продуктивність і ККД насоса. [1],[2]

Центробежный насос

Рисунок 1 – Графічне зображення центробіжного насоса [3]
(Анімація: 5 кадрів, 7 циклів повторення, 143 кілобайта)

Комплексна характеристика центробіжного насоса є поєднанням графічного зображення залежностей напору Н, споживаної потужності N і коефіцієнта корисної дії h від загальної продуктивності (подачі) Q насоса при постійній або змінній частоті обертання робочого колеса. Комплексна характеристика приведена на рисунку 2.

Комплексна характеристика центробіжного насоса

Рисунок 2 – Комплексна характеристика центр обіжного насоса

Найбільш важливою характеристикою є залежність між продуктивністю і напором. Теоретична напірна характеристика описується рівнянням прямої лінії.

Ht=С–EQ

де, С і Е - постійні величини, значення яких залежать від частоти обертання, форми та розмірів робочого колеса.

Положення характеристики в координатах H – Q при заданих значеннях числа оборотів n, зовнішнього діаметра колеса D2 і ширини каналу на виході з колеса b2 залежить від лопаточного кута на виході β2. Характеристика H – Q представлена на рисунку 3.

Характеристика H – Q

Рисунок 3 – Характеристика H–Q

Помноживши ліву і праву частини виразу (який знаходиться вище) на величину вагової секундної витрати, можна отримати рівняння характеристики теоретичної потужності центробіжного насоса:

Nt=ρgQHt=ρgQC–EQ=ρgCQ–ρgEQ2

де, Nt – теоретична потужність; ρ – щільність рідини, що перекачується; Q – продуктивність насоса.

Залежно від величини нахилу, характеристика теоретичної потужності зобразиться графічно у вигляді прямої або кривої лінії, що виходить з початку координат графіка N – Q. Характеристика зображена на рисунку 4.

Характеристика N – Q

Рисунок 4 – Характеристика N – Q

Дійсний напір відрізняється від теоретичного на величину втрат у проточній частині машини. Тому дійсна характеристика має форму, що відрізняється від теоретичної, і на графіку розташовується нижче її.

Дійсна характеристика потужності насоса може бути отримана з теоретичних характеристик шляхом підсумовування (при заданій продуктивності) значень теоретичної потужності і її втрат. При цьому характер залежності потужності від продуктивності в основному зберігається.

Основною відмінністю є те, що дійсні характеристики потужності не виходять з початку координат внаслідок втрат потужності в режимі холостого ходу (Q = 0,N ≠0).

Коефіцієнт корисної дії насоса є відношенням корисної потужності Np до споживаної N:

η=Np/N=γQH/N

Очевидно, що повний ККД дорівнює нулю при Q = 0 і Н = 0, тому що при всіх режимах роботи насоса N ≠0. В межах між Q = 0 и Q = Q max повний ККД досягає максимального значення. Характеристика η – Q приведена на рисунке 5.

Характеристика η – Q

Рисунок 5 – Характеристика η – Q

Режим роботи насоса, при якому його ККД досягає максимальної величини, називають оптимальним режимом. За значеннями Q0 и Н0, відповідним оптимальному режиму, можна знайти величину коефіцієнта швидкохідності ns, що обчислюється за формулою:

формула

де, n – частота обертання робочого колеса; Q0 – оптимальна продуктивність; H0 – оптимальний напір.

Коефіцієнт швидкохідності є режимним критерієм подібності проходження рідини в насосах і грає важливу роль в справі їх конструювання і застосування. Великі частоти обертання вигідні тому, що вони зумовлюють малі розміри насоса і приводного двигуна. Отже, застосування насосів високої швидкохідності економічно доцільно.

При заданій частоті обертання коефіцієнт швидкохідності тим вище, чим більше продуктивність і менший натиск. Тому насоси з високим коефіцієнтом швидкохідності є низьконапірними і високопродуктивними. [4]

3.2 Частотне регулювання швидкості електроприводів асинхронних електродвигунів

Частотне регулювання кутової швидкості обертання електроприводу з асинхронним двигуном в даний час широко застосовується, тому що дозволяє в широкому інтервалі плавно змінювати обороти обертання ротора як вище, так і нижче номінальних значень.

Частотні перетворювачі є сучасними, високотехнологічними пристроями, що володіють великим діапазоном регулювання, що мають великий набір функцій для управління асинхронними двигунами. Найвища якість і надійність дають можливість застосовувати їх в різних галузях для управління приводами насосів, вентиляторів, транспортерів і т.д.

Частотні перетворювачі по напруги живлення підрозділяються на однофазні та трифазні, а по конструктивному виконанню на електромашини обертаючі і статичні. В електромашинних перетворювачах змінна частота виходить за рахунок використання звичайних або спеціальних електричних машин. У статичних частотних перетворювачах змінної частоти струм живлення досягається за рахунок застосування не маючих руху електричних елементів.

Схема частотного перетворювача асинхронного двигуна

Рисунок 6 – Схема частотного перетворювача асинхронного двигуна

Вихідний сигнал перетворювача частоти

Рисунок 7 – Вихідний сигнал перетворювача частоти

Перетворювачі частоти для однофазної мережі дозволяють забезпечити електропривод виробничого обладнання потужністю до 7,5 кВт. Особливістю конструкції сучасних однофазних перетворювачів є те, що на вході є одна фаза з напругою 220В, а на виході – три фази з тим же значенням напруги, що дозволяє підключати до пристрою трифазні електродвигуни без застосування конденсаторів.

Перетворювачі частоти з живленням від трифазної мережі 380В випускаються в діапазоні потужностей від 0,75 до 630 кВт. Залежно від величини потужності пристрою виготовляються в полімерних комбінованих і металевих корпусах. Найпопулярнішою стратегією управління асинхронними електродвигунами є векторне управління. В даний час більшість частотних перетворювачів реалізують векторне управління або навіть векторне бездатчикове управління (цей тренд зустрічається в частотних перетворювачах, спочатку реалізуючи скалярне управління і не маючих клем для підключення датчика швидкості). Виходячи з типу навантаження на виході, перетворювачі частоти поділяються за типом виконання:

    • для насосного та вентиляторного приводу;
    • для загальнопромислового електропривода;
    • експлуатуються у складі електродвигунів, що працюють з перевантаженням.
Механічні характеристики типових навантажень

Рисунок 8 – Механічні характеристики типових навантажень

Сучасні перетворювачі частоти мають різномані набори функціональних особливостей, наприклад, мають ручне і автоматичне керування швидкістю і напрямком обертання двигуна, а також вбудований потенціометр на панелі управління. Наділені можливістю регулювання діапазону вихідних частот від 0 до 800 Гц.

Перетворювачі здатні виконувати автоматичне керування асинхронним двигуном за сигналами з периферійних датчиків і приводити в дію електропривод по заданому тимчасовому алгоритму. Підтримувати функції автоматичного відновлення режиму роботи при короткочасному перериванні живлення. Виконувати управління перехідними процесами з віддаленого пульта і здійснювати захист електродвигунів від перевантажень.

Зв'язок між кутовою швидкістю обертання і частотою струму живлення випливає з рівняння: ω0 = 2πf1/p . При постійній напрузі джерела живлення U1 і зміні частоти, змінюється магнітний потік асинхронного двигуна. При цьому для кращого використання магнітної системи при зниженні частоти живлення необхідно пропорційно зменшувати напругу, інакше значно збільшується намагнічуванний струм і втрати в сталі.

Аналогічно при збільшенні частоти живлення слід пропорційно збільшувати напругу, щоб зберегти магнітний потік постійним, так як в противному випадку (при постійному моменті на валу) це приведе до наростання струму ротора, перевантаження його обмоток по струму, зниження максимального моменту.

Раціональний закон регулювання напруги залежить від характеру моменту опору.

При постійному моменті статичного навантаження (Mс = const) напруга повинна регулюватися пропорційно його частоті U1/f1 = const. Для вентиляторного характеру навантаження співвідношення приймає вигляд U1/f²1 = const.

При моменті навантаження, обернено пропорційна швидкості U1/√f1 = const.

На рисунках нижче представлені: спрощена схема підключення і механічні характеристики асинхронного двигуна при частотному регулюванні кутової швидкості.

Схема підключення частотного перетворювача до асинхронного електродвигуна

Рисунок 9 – Схема підключення частотного перетворювача до асинхронного електродвигуна

Характеристики для навантаження з постійним статичним моментом опору

Рисунок 10 – Характеристики для навантаження з постійним статичним моментом опору

Характеристики для навантаження вентиляторного характеру

Рисунок 11 – Характеристики для навантаження вентиляторного характеру

Характеристики при статичному моменті навантаження обернено пропорційна кутовій швидкості обертання

Рисунок 12 – Характеристики при статичному моменті навантаження обернено пропорційна кутовій швидкості обертання

Частотне регулювання швидкості асинхронного двигуна дозволяє змінювати кутову швидкість обертання в діапазоні – 20 ... 30 до 1. Регулювання швидкості асинхронного двигуна вниз від основної, здійснюється практично до нуля.

При зміні частоти мережі живлення верхня межа частоти обертання асинхронного двигуна залежить від її механічних властивостей, тим більш що на частотах вище номінальної асинхронні двигун працює з кращими енергетичними показниками, ніж на знижених частотах. Тому, якщо в системі приводу використовується редуктор, це управління двигуном по частоті слід проводити не тільки вниз, але і вгору від номінальної точки, аж до максимальної частоти обертання, допустимої, за умовами механічної міцності ротора.

Частотний спосіб є найбільш перспективним для регулювання асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором. Втрати потужності при такому регулюванні невеликі, оскільки не супроводжуються збільшенням ковзання.[5]

3.3 Склад стенда

До складу обладнання стенду входять наступні компоненти: бак 125л,електронасос центробіжний СP 130. (Номінальна швидкість обертання nН =2900 об/мин).

Трансформатор TR60 (понижуючий трансформатор) – трансформатор з корпусом з термоусадочного пластика, корпус - ударостійкий, негорючий термопластик сірого кольору. Кріпиться на 35 мм рейці стандарту DIN. Трансформатор має подвійну ізоляцію і не вимагають захисного заземлення. Вторинна обмотка трансформаторів захищена двома запобіжниками. [6]

Перетворювач частоти Altivar 312 [7] призначений для управління асинхронними двигунами потужністю від 0,18 до 15 кВт. Він відрізняється надійністю і компактністю, простотою введення в експлуатацію. Перетворювач Altivar 312 має в своєму розпорядженні функції, придатні для найбільш частого застосування, зокрема: транспортувальне обладнання (невеликі конвеєри, електроталі і т.д.); фасувально-пакувальне обладнання; спеціальні механізми (мішалки, змішувачі, текстильні машини і т.д.); насоси, компресори та вентилятори. На рисунку 13 зображений перетворювач частоти Altivar 312.

Перетворювач частоти Altivar 312

Рисунок 13 – Перетворювач частоти Altivar 312

Altivar 21 – це перетворювач частоти для керування асинхронними електродвигунами на потужності від 0,75 кВт до 75 кВт. Спеціально розроблений для найбільш частого застосування в будівлях обслуговуючого сектора: опалення, вентиляції, кондиціювання повітря і насоси. Завдяки Altivar 212, забезпечується економія електроенергії до 70% [8]. На рисунку 14 зображений перетворювач частоти Altivar.

Перетворювач частоти Altivar 212

Рисунок 14 – Перетворювач частоти Altivar 212

Ще в обладнання стенду входять: контактори, електромеханічний клапан, автоматичні вимикачі, AC-DC мережевий перетворювач, датчик тиску, панель для побудови схеми організації стенди, кнопка Пуск і кнопка СТОП. Згідно правил безпеки кнопка стоп виконана грибкоподібною яскравого червоного кольору.

У лицьову панель входять: перемикачі; сигнальні лампи; пакетний перемикач ATV 212 / ATV 312; клемні роз'єми для підключення.

3.4 Рекомендації з енергозбереження

Процес регулювання ускладнюється невідповідністю характеристик центробіжних насосів і трубопроводів. Щоб подати збільшену витрату води по трубопроводу, натиск на насосній станції треба збільшувати, а характеристики центробіжних насо- сов такі, що при збільшенні подачі води напір, що розвивається насосом, падає. У той же час при зменшенні подачі води натиск насоса варто було б теж зменшити, а він збільшується. Тому в періоди зменшеного водоспоживання системи водопостачання працюють з надлишковим напором, який гаситься в дросселируючих пристроях або в водорозбірної арматури у споживача. При цьому енергія, споживана насосами, нераціонально витрачається на створення надлишкових напорів, під впливом яких збільшуються витоки і непродуктивні витрати води, виникають підвищені механічні напруги в стінках труб. Аналогічні явища мають місце в теплофікаційних, орошувальних і інших системах. Невідповідність в режимах роботи насосів і трубопроводів може бути усунуто зміною частоти обертання насосів, яка повинна регулюватися відповідно до змін водоспоживання або припливу стічних вод. При зменшенні частоти обертання насоса, зменшується його подача води і створюваний ним натиск. При збільшенні частоти обертання натиск збільшується одночасно зі збільшенням подачі води. Регулюванням частоти обертання насоса його робочі параметри приводяться у відповідність з режимом роботи системи, що обслуговується. Щоб змінити частоту обертання насоса, необхідно мати регульований електропривод. Значення частоти обертання насоса, з якою він повинен працювати в той чи інший момент часу, визначається системою САУ насосної установки. Необхідне значення частоти обертання встановлюється в залежності від багатьох чинників. До них відносяться: витрата рідини в системі, її рівень в резервуарах, значення статичного і динамічного противодавления, кількість паралельно працюючих насосів і насосних установок, які подають рідину в систему, і т.д.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2017 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Список джерел

  1. Центробежный насос // Википедия. – Режим доступа: "https://ru.wikipedia.org/wik...".
  2. Разинов А.И. Гидромеханические и теплообменные процессы и аппараты химической технологии: учебное пособие /А.И. Разинов, О.В. Маминов, Г.С. Дьяконов. – Казань: изд-воКГТУ, 2007. – 212с.: ил.
  3. Центробежный насос – схема и принцип работы устройства // Moikolodets – Режим доступа: "https://moikolodets.ru/centrobezhnyj-nasos-shema-368".
  4. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры: Учебник для теплоэнергетических специальностей вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1984.-416 с.: ил.
  5. Частотное регулирование асинхронного двигателя // Школа для электрика. – Режим доступа: "http://electri...".
  6. Иванов Г.М., Онищенко Г.Б. Автоматизированный электропривод в химической промышленности. М.: Машиностроение, 1975.-312 с.:ил.
  7. Altivar 312. Преобразователи частоты для асинхронных двигателей. Руководство по установке. Schneider Electric 01/2010.
  8. Altivar 21 Привод с регулируемой частотой вращения для асинхронных электродвигателей. Краткое руководство.