Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В настоящее время насосы получили широкое применение, как на производстве, так и в быту. Существуют несколько типов широко используемых насосов. Объёмные и вихревые насосы являются более экономичными для высоких напоров и малых подач, однако они имеют элементы металлического контакта или пары трения, а также, что немало важно, жесткие допуски на зазоры, это уменьшает надежность, снижает срок службы и затрудняет их применение с вязкими жидкостями. В этих насосах усложнены методы регулирования напора и подачи [1]. Центробежные насосы являются более простыми и надежными, их куда чаще можно встретить в различных отраслях народного хозяйства и в обычных домах, такой тип насоса я и выбрал целью исследования в своей магистерской диссертации.

1. Актуальность темы

Наиболее эффективные показатели напора и подачи достигаются по средствам питания от трехфазной сети, однако не каждое предприятие, а тем более далеко не каждый рядовой пользователь в быту имеют доступ к такой сети, поэтому проблема питания трехфазного электропривода от однофазной сети становится все более актуальной. Существуют различные способы подключения такого ЭП в однофазную сеть: конденсаторный запуск схемы звезда, конденсаторный запуск схемы треугольник, запуск через электронный ключ, запуск через частотный преобразователь и другие. Самый простой из них – это использование схем подключения третьего контакта через фазосдвигающий конденсатор. Встает ребром вопрос энергоэффективности и экономичности данного метода, исследование схем электропитание поможет дать на него ответ.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью магистерской работы является анализ влияния схем электропитания на энергетические показатели электропривода насоса.

Задачи исследования:

  1. Обзор литературных источников о принципе работы, конструкции, характеристиках и энергетических показателях центробежных насосов;
  2. Обзор литературы о питании трехфазного электродвигателя через однофазную сеть;
  3. Создать математическую модель и исследовать на ней различные методы включения трехфазного электропривода насоса в однофазную сеть;
  4. На основании проведенных исследований определить и проанализировать наиболее эффективные схемы электропитания;
  5. Реализовать их на экспериментальной установке, подтвердить адекватность математической модели.

Планируемые результаты:

  1. Математическая модель электропривода насоса с различными схемами включения в сеть;
  2. Физически реализовать различные схемы питания на экспериментальной установке;
  3. Сформулировать рекомендации по выбору метода подключения трехфазного электропривода насоса в однофазную сеть исходя из полученных экспериментально показателей подачи и потребляемой энергии.

3. Обзор литературных источников

3.1 Насосы и их классификация

Длительное время принято было считать, что насосы предназначаются только лишь для перекачки воды, однако в наше время их область применения настолько возросла, что такое определение уже не может отобразить всей сути понятия. Сейчас наиболее правильно определить насос как гидравлическую машину, в которой механическая энергия, создаваемая двигателем, преобразуется в энергию перекачиваемой жидкости [2].

Классифицировать насосы принято по принципу действия и конструкции рабочей камеры. Они делятся на две основные группы – динамические и объемные [3].

Динамические насосы – это насосы, в которых жидкость перемещается под действием кинетической энергии вместе с камерой.

Объемные насосы – это механизмы, в которых жидкость перемещается под действием потенциальной энергии, за счет изменения объема камеры с жидкостью [4].

Динамические в свою очередь делятся по виду сил, действующих на жидкую среду:

Объемные насосы чаще всего классифицируют по характеру движения рабочего колеса:

Динамические и лопастные насосы в свою очередь делятся на осевые и центробежные.

По сути, в этих типах насосов жидкость непрерывным потоком перемещается за счет взаимодействия с подвижными вращающимися лопастями ротора и неподвижными лопастями корпуса. Однако в осевых насосах жидкость протекает параллельно оси вращения ротора, то есть в осевом направлении, а в центробежных – перпендикулярно, то есть в радиальном направлении.

Наиболее популярным типом насосов является центробежный насос. За счет своей простоты конструкции, относительной дешевизны и надежности, его чаще остальных используют как в быту, так и на производстве.

3.2 Основные параметры насосов

Насос в соответствии с назначением характеризуется тремя параметрами: подачей, напором и мощностью.

Подача насоса представляет собой количество жидкости, перекачиваемое им за единицу времени. Количество подаваемой жидкости может измеряться объемом или весом, в зависимости от характера насоса.

Для объемной подачи Q размерность характеризуется единицей объема в единицу времени, то есть м3/ч, м3/с, л/мин и так далее, а для весовой подачи G – единицей веса в единицу времени, то есть т/ч, кг/сек и тому прочее. Становится ясно, что весовая подача связана с объемной следующей формулой:

Формула весовой подачи

где γ – удельный вес жидкости, Н/м3.

Напором насоса H называют приращение механической энергии, получаемое каждым килограммом жидкости, проходящей через насос, то есть разность удельных энергий жидкости на выходе и на входе насоса.

Удельная энергия потока при выходе из насоса рассчитывается по следующей формуле:

Формула удельной энергии потока при выходе из насоса

где Pвых – давление потока при выходе из насоса, Па;

zвых – высота потока при выходе из насоса, м;

vвых – скорость потока при выходе из насоса, м/с;

γ – удельный вес жидкости, Н/м3;

g – ускорение свободного падения, м/с2.

Аналогично можно рассчитать удельную энергию при входе в насос:

Формула удельной энергии потока при входе в насос

где Pвх – давление потока при входе в насос, Па;

zвх – высота потока при входе в насос, м;

vвх – скорость потока при входе в насос, м/с;

Таким образом, выводим формулу нахождения напора:

Формула нахождения напора
Схема измерения напора насоса

Рисунок 1 – Схема изменения напора насоса

Последним и основным параметром, характеризующим насос, является потребляемая им мощность N. Для того, чтобы ее определить, прежде всего, нужно дать понятие полезной мощности Nп, логически вытекающем из представлений о напоре и подаче. Приращение энергии каждого килограмма жидкости, подаваемой насосом, равно напору H; количество жидкости, перекачиваемое насосом за единицу времени, равно весовой подаче G; в свою очередь полное приращение энергии, получаемое всем потоком в насосе за единицу времени и называется полезной мощностью Nп [2]:

Формула мощности

где H – напор насоса, м;

Q – объемная подача насоса, м3/с;

G – весовая подача насоса, кг/с;

γ – удельный вес жидкости, Н/м3;

Далее необходимо найти КПД насоса, которое определяется отношением полезной мощности Nп к потребляемой N:

Формула КПД насоса

Следовательно, из формулы нахождения КПД можно определить потребляемую мощность:

Формула потребляемой мощности насоса

3.3 Конструкция, характеристики и область применения центробежных насосов

Центробежный насос – это насос, в котором напор и перемещение жидкости происходит под действием центробежной силы, которая возникает при воздействии рабочего колеса на жидкость [5].

Центробежный насос

Рисунок 2 – Центробежный насос

Внутри корпуса центробежного насоса на валу жестко закреплено рабочее колесо, которое, в свою очередь, состоит из переднего и заднего дисков, между которыми закреплены лопасти. Они отогнуты от радиального направления в противоположную сторону вращения колеса. Также корпус насоса соединяется с всасывающими и напорными трубопроводами с помощью патрубков.

Когда корпус насоса полностью наполнен жидкостью из всасывающего патрубка, то при включении насоса, то есть придания вращения валу по средствам электродвигателя, жидкость, находящаяся между лопастями рабочего колеса, начинает отбрасываться от центра колеса к периферии под действием центробежной силы. Таким образом, в центре рабочего колеса создастся разряжение, а на периферии наоборот – повысится давление. Далее давление выталкивает жидкость в напорный трубопровод. Это приведет к тому, что внутри насоса образуется разряжение, под действием которого жидкость одновременно начнет поступать из всасывающего трубопровода. В конечном итоге происходит непрерывная подача жидкости из всасывающего патрубка в напорный [5].

Центробежные насосы также могут иметь более одного рабочего колеса (многоступенчатые центробежные насосы), но при этом принцип их работы будет неизменным – жидкость будет перекачиваться по средствам центробежной силы.

Строение центробежного насоса
1 – корпус насоса; 2 – ответные фланцы трубопровода; 3 – корпус электродвигателя; 4 – рабочее колесо; 5 – вал электродвигателя; 6 – уплотнение вала; 7 – подшипники; 8 – крыльчатка охлаждения электродвигателя; 9 – статор.

Рисунок 3 – Строение центробежного насоса [7]

Характеристикой центробежного насоса, как и любого насоса, называют зависимость напора от подачи Q-H при постоянном числе оборотов n. В полную характеристику входят также кривые полного КПД и мощности.

При изменении числа оборотов кривые Q-H изменяются так, что характерные им черты сохраняются. Изменение кривых напора, подачи и мощности при разном числе оборотов подчиняется законам подобия. Изначально они были выведены экспериментально, однако в дальнейшем для них было выведено надежное теоретическое обоснование.

Действительные характеристики центробежного насоса

Рисунок 4 – Действительные характеристики центробежного насоса
(анимация 6 кадров, 7 циклов повторения, 27,5 килобайт)

Законы подобия применимы к каждой точке кривой Q-H, они устанавливают, что при изменении числа оборотов подача будет изменяться пропорционально числу оборотов n, напор будет изменяться пропорционально квадрату числа оборотов n2, а мощность – пропорционально кубу числа оборотов n3. Последнее допущение основано на том, что при изменении числа оборотов КПД остается постоянным [8].

Законы подобия можно выразить следующим образом:

Законы подобия

На сегодняшний день практически невозможно найти отрасль быта или промышленности, в которой использовали бы жидкость и не применяли центробежные насосы. Наиболее популярные области применения:

3.4 Электродвигатель центробежных насосов

В качестве привода для насосов систем водоснабжения электродвигатели переменного тока. Свое распространение они получили за счет компактности, простоты соединения с насосом, легкой автоматизации и относительно низкому энергопотреблению.

К приводам насосных агрегатов предъявляется ряд требований, таких как высокие мощности и необходимость пуска двигателя под нагрузкой. Также конструкция электродвигателя должна допускать продолжительное вращения ротора в обратную сторону, которое вызвано сливом воды из напорных трубопроводов при отключении насоса от питания.

Весьма важным показателем для ЭП насоса является возможность повторно-кратковременных пусков, что, в свою очередь, предъявляет повышенные требования к конструкции пусковой обмотки статора.

Для небольших насосов чаще всего применяют короткозамкнутые асинхронные электродвигатели (рисунок 5). Они гораздо дешевле других типов электродвигателей и существенно проще в обслуживании. При пуске АД с кз не требуется никаких дополнительных устройств, что значительно упрощает схему автоматического управления насосом [10].

Строение асинзронного двигателя с короткозамкнутым ротором
1 – вал; 2 – обмотки статора; 3 – сердечник статора; 4 – короткозамкнутый ротор; 5 – сердечник ротора; 6 – крыльчатки вентиляторов; 7 – корпус.

Рисунок 5 – Строение асинзронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Однако, у таких двигателей есть существенный недостаток – это высокая кратность пусковых токов при прямом включении, они превышают номинальный ток в 5-7 раз. Такой кратковременный толчок тока относительно безопасен для двигателя, но он вызывает резкое снижения напряжения в питающей сети, что может неблагоприятно сказаться на другие ее пользователях, поэтому максимально допустимая мощность АД с кз при прямом пуске относительно небольшая – до 100 кВт.

4. Способы подключения трехфазного двигателя в однофазную сеть

Часто люди сталкиваются с проблемой отсутствия сети 380 В у себя дома, но это не значит, что у них нет возможности пользоваться насосами с трехфазным электродвигателем. Конечно, придется пожертвовать около 30% паспортной мощности, но для большинства целей в быту это весьма приемлемо.

Основной проблемой такого подключения является создание вращающегося магнитного поля, которое наводит ЭДС в короткозамкнутом роторе. Для этого необходимо сдвинуть фазы в обмотках на 120°, но на практике это тяжело реализовать, такие схемы достаточно дорогостоящие и их изготовление и настройка требуют высокой квалификации. Поэтому в большинстве случаев применяют простые и недорогостоящие схемы, при этом несколько жертвуя мощность. Сдвиг фаз при помощи конденсатора – один из них.

При использовании такого метода сдвиг фаз происходит только на 90°, но его вполне достаточно, чтобы на роторе появился необходимый вращающий момент [11].

Существуют две основные схемы подключения фазосдвигающего конденсатора – треугольник и звезда. Как правило, рабочий конденсатор Ср подключается параллельно одной из обмоток, как показано на рисунке 6.

Схемы подключения рабочего конденсатора

Рисунок 6 – Схемы подключения рабочего конденсатора

4.1 Конденсаторный запуск схемы треугольника

При конденсаторном запуске схемы треугольник фазы чередуются соединением начала одной с концом предыдущей, при этом к одной из фаз параллельно подключен рабочий конденсатор. Такой способ пуска позволяет достичь большей полезной мощности, чем пуск по схеме звезда, однако требует больших скачков пускового тока, что может пагубно сказаться на электродвигателе [12].

Расчет емкости рабочего конденсатора Ср для подключения обмоток треугольником приведен ниже:

Формула расчета емкости рабочего конденсатора для подключения обмоток треугольником

где I – ток, А;

U – напряжение сети, В;

P – мощность, Вт;

η – КПД;

cosφ – коэффициент мощности.

4.1 Конденсаторный запуск схемы звезда

При запуске электродвигателя по схеме звезда посредствам конденсатора необходимо собрать обмотки концами на одной клемме – нейтрали, а своими началами выводят на клеммную колодку для подключения в сеть. Данный метод пуска позволяет обеспечить плавный пуск, без сильных скачков пускового тока, но и полезной мощности двигатель будет выдавать меньше [12].

В таком случае емкость рабочего конденсатора будет рассчитываться так:

Формула расчета емкости рабочего конденсатора для подключения обмоток звездой

Из формулы можно увидеть, что емкость конденсатора при запуске по схеме звезда меньше, чем при запуске по схеме треугольник примерно в 1,7 раз. Из этого можно сделать вывод, что конденсаторный запуск схемы звезда более экономичен, поэтому, если от привода не требуется высокая мощность, рекомендовано использовать именно эту схему.

Список источников

  1. Спасский К. Н. Новые насосы для малых подач и высоких напоров / Спасский К. Н., Шаумян В. В. – М.: Машиностроение, 1972. – 160с.
  2. Ломакин А. А. Центробежные и осевые насосы / Ломакин А. А., Васильева В. П., Орлова Л. И. – Ленинградское отделение издательства «Машиностроение», 1966. – 358с.
  3. Насос. Электронный ресурс. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/...
  4. Виды и классификации насосов. Электронный ресурс. Режим доступа: https://proagregat.com/...
  5. Центробежный насос. Электронный ресурс. Режим доступа: https://dic.academic.ru/...
  6. Динамические насосы. Электронный ресурс. Режим доступа: https://rupumps.com/...
  7. Устройство центробежного насоса. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.ktto.com.ua/...
  8. Stepanoff A. J. Centrifugal and axial flow pumps / Stepanoff A. J. – New York. – 2nd Edition. – John Wiley & Sons, INc., 1960. – 430pp.
  9. Пневматика и гидравлика. Электронный ресурс. Режим доступа: https://stankiexpert.ru/...
  10. Электродвигатели для насосов и насосного оборудования. Электронный ресурс. Режим доступа: https://www.szemo.ru/...
  11. Как подключить трехфазный электродвигатель в сеть 220 В. Электронный ресурс. Режим доступа: https://stroyday.ru/...
  12. Трехфазный двигатель в однофазную сеть. Электронный ресурс. Режим доступа. Электронный ресурс. Режим доступа: https://zen.yandex.ru/...