Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

В даний час насоси отримали широке застосування, як на виробництві, так і в побуті. Існують кілька типів широко використовуваних насосів. Об'ємні і вихрові насоси є більш економічними для високих напорів і малих подач, однак вони мають елементи металевого контакту або пари тертя, а також, що не менш важливо, жорсткі допуски на зазори, це зменшує надійність, знижує термін служби і ускладнює їх застосування з в'язкими рідинами . У цих насосах ускладнені методи регулювання напору і подачі [1]. Відцентрові насоси є більш простими і надійними, їх куди частіше можна зустріти в різних галузях народного господарства і в звичайних будинках, такий тип насоса я і вибрав метою дослідження в своїй магістерській дисертації.

1. Актуальність теми

Найбільш ефективні показники напору і подачі досягаються за коштами харчування від трифазної мережі, проте не кожне підприємство, а тим більше далеко не кожен пересічний користувач в побуті мають доступ до такої мережі, тому проблема живлення трифазного електроприводу від однофазної мережі стає все більш актуальною. Існують різні способи підключення такого ЕП в однофазну мережу: конденсаторний запуск схеми зірка, конденсаторний запуск схеми трикутник, запуск через електронний ключ, запуск через частотний перетворювач і інші. Найпростіший з них – це використання схем підключення третього контакту через фазозсувний конденсатор. Постає ребром питання енергоефективності та економічності даного методу, дослідження схем електроживлення допоможе дати на нього відповідь.

2. Мета і завдання дослідження, плановані результати

Метою магістерської роботи є аналіз впливу схем електроживлення на енергетичні показники електроприводу насоса.

Завдання дослідження:

  1. Огляд літературних джерел про принцип роботи, конструкції, характеристики та енергетичних показниках відцентрових насосів;
  2. Огляд літератури про харчування трифазного електродвигуна через однофазну мережу;
  3. Створити математичну модель і досліджувати на ній різні методи включення трифазного електроприводу насоса в однофазну мережу;
  4. На підставі проведених досліджень визначити і проаналізувати найбільш ефективні схеми електроживлення;
  5. Реалізувати їх на експериментальній установці, підтвердити адекватність математичної моделі.

Плановані результати:

  1. Математична модель електроприводу насоса з різними схемами включення в мережу;
  2. Фізично реалізувати різні схеми харчування на експериментальній установці;
  3. Сформулювати рекомендації щодо вибору методу підключення трифазного електроприводу насоса в однофазну мережу виходячи з отриманих експериментально показників подачі і споживаної енергії.

3. Огляд літературних джерел

3.1 Насоси та їх класифікація

Тривалий час прийнято було вважати, що насоси призначаються тільки для перекачування води, проте в наш час їх область застосування настільки зросла, що таке визначення вже не може відобразити всієї суті поняття. Зараз найбільш правильно визначити насос як гідравлічну машину, в якій механічна енергія, створювана двигуном, перетвориться в енергію рідини [2].

Класифікувати насоси прийнято за принципом дії і конструкції робочої камери. Вони діляться на дві основні групи – динамічні і об'ємні [3].

Динамічні насоси – це насоси, в яких рідина переміщається під дією кінетичної енергії разом з камерою.

Об'ємні насоси – це механізми, в яких рідина переміщається під дією потенційної енергії, за рахунок зміни обсягу камери з рідиною [4].

Динамічні в свою чергу діляться по виду сил, що діють на рідку середу:

Об'ємні насоси найчастіше класифікують за характером руху робочого колеса:

Динамічні і лопатеві насоси в свою чергу діляться на осьові і відцентрові.

По суті, в цих типах насосів рідина безперервним потоком переміщається за рахунок взаємодії з рухомими обертовими лопатями ротора і нерухомими лопатями корпусу. Однак в осьових насосах рідина протікає паралельно осі обертання ротора, тобто в осьовому напрямку, а в відцентрових – перпендикулярно, тобто в радіальному напрямку.

Найбільш популярним типом насосів є відцентровий насос. За рахунок своєї простоти конструкції, відносну дешевизну і надійності, його частіше за інших використовують як в побуті, так і на виробництві.

3.2 Основні параметри насосів

Насос відповідно до призначення характеризується трьома параметрами: подачею, напіром і потужністю.

Подача насоса являє собою кількість рідини, що перекачується їм за одиницю часу. Кількість рідини, що подається може вимірюватися об'ємом або вагою, в залежності від характеру насоса.

Для об'ємної подачі Q розмірність характеризується одиницею об’єму в одиницю часу, тобто м3/г, м3/с, л/хв і так далі, а для вагової подачі G – одиницею ваги в одиницю часу, тобто т/рік, кг/с і тому інше. Стає ясно, що вагова подача пов'язана з об'ємною наступною формулою:

Формула вагової подачі

де γ – питома вага рідини, Н/м3.

Напіром насоса H називають збільшення механічної енергії, що отримується кожним кілограмом рідини, що проходить через насос, тобто різниця питомих енергій рідини на виході і на вході насоса.

Питома енергія потоку при виході з насоса розраховується за такою формулою:

Формула питомої енергії потоку при виході з насоса

де Pвих – тиск потоку при виході з насоса, Па;

zвих – висота потоку при виході з насоса, м;

vвих – швидкість потоку при виході з насоса, м/с;

γ – питома вага рідини, Н/м3;

g – прискорення вільного падіння, м/с2.

Аналогічно можна розрахувати питому енергію при вході в насос:

Формула питомої енергії при вході в насос:

де Pвх – тиск потоку при вході в насос, Па;

zвх – висота потоку при вході в насос, м;

vвх – швидкість потоку при вході в насос, м/с;

Таким чином, виводимо формулу знаходження напіру:

Формула знаходження напору
Схема вимірювання напіру насоса

Рисунок 1 – Схема вимірювання напору насоса

Останнім і основним параметром, що характеризує насос, є споживана їм потужність N. Для того, щоб її визначити, перш за все, потрібно дати поняття корисної потужності Nп, логічно витікаємим з уявлень про напор і подачу. Приріст енергії кожного кілограма рідини, що подається насосом, так само напору H; кількість рідини, що перекачується насосом за одиницю часу, так само ваговій подачі G; в свою чергу повний приріст енергії, що отримується всім потоком в насосі за одиницю часу і називається корисною потужністю Nп [2]:

Формула потужності

де H – напір насоса, м;

Q – об'ємна подача насоса, м3/с;

G – вагова подача насоса, кг/с;

γ – питома вага рідини, Н/м3;

Далі необхідно знайти ККД насоса, яке визначається відношенням корисної потужності Nп до споживаної N:

Формула ККД насоса

Отже, з формули знаходження ККД можна визначити споживану потужність:

Формула споживаної потужності насоса

3.3 Конструкція, характеристики і область застосування відцентрових насосів

Відцентровий насос – це насос, в якому натиск і переміщення рідини відбувається під дією відцентрової сили, яка виникає при впливі робочого колеса на рідину [5].

Відцентровий насос

Рисунок 2 – Відцентровий насос

Усередині корпусу відцентрового насоса на валу жорстко закріплено робоче колесо, яке, в свою чергу, складається з переднього і заднього дисків, між якими закріплені лопаті. Вони відігнуті від радіального напрямку в протилежну сторону обертання колеса. Також корпус насоса з'єднується з усмоктувальними і напірними трубопроводами за допомогою патрубків.

Коли корпус насоса повністю наповнений рідиною з всмоктуючого патрубка, то при включенні насоса, тобто додання обертання валу за коштами електродвигуна, рідина, що знаходиться між лопатями робочого колеса, починає відкидатися від центру колеса до периферії під дією відцентрової сили. Таким чином, в центрі робочого колеса створиться розрідження, а на периферії навпаки – підвищиться тиск. Далі тиск виштовхує рідину в напірний трубопровід. Це призведе до того, що всередині насоса утворюється розрідження, під дією якого рідина одночасно почне надходити з усмоктувального трубопроводу. В кінцевому підсумку відбувається безперервна подача рідини з всмоктуючого патрубка в напірний [5].

Відцентрові насоси також можуть мати більше одного робочого колеса (багатоступінчасті відцентрові насоси), але при цьому принцип їх роботи буде незмінним – рідина буде перекачуватися по засобам відцентрової сили.

Будова відцентрового насоса
1 – корпус насоса; 2 – відповідні фланці трубопроводу; 3 – корпус електродвигуна; 4 – робоче колесо; 5 – вал електродвигуна; 6 – ущільнення вала; 7 – підшипники; 8 – крильчатка охолодження електродвигуна; 9 – статор.

Рисунок 3 – Будова відцентрового насоса [7]

Характеристикою відцентрового насоса, як і будь-якого насоса, називають залежність напору від подачі Q-H при постійному числі обертів n. У повну характеристику входять також криві повного ККД і потужності.

При зміні числа обертів криві Q-H змінюються так, що характерні їм риси зберігаються. Зміна кривих напору, подачі і потужності при різному числі оборотів підпорядковується законам подоби. Спочатку вони були виведені експериментально, проте в подальшому для них було виведено надійне теоретичне обґрунтування.

Дійсні характеристики відцентрового насоса

Рисунок 4 – Дійсні характеристики відцентрового насоса
(анімація 6 кадрів, 7 циклів повторення, 27,5 кілобайт)

Закони подібності застосовні до кожної точки кривої Q-H, вони встановлюють, що при зміні числа обертів подача буде змінюватися пропорційно числу обертів n, натиск буде змінюватися пропорційно квадрату числа обертівn, а потужність - пропорційно кубу числа обертів n2, а потужність – пропорційно кубу числа обертів n3. Останнє припущення засноване на тому, що при зміні числа обертів ККД залишається постійним [8].

Закони подібності можна виразити таким чином:

Закони подібності

На сьогоднішній день практично неможливо знайти галузь побуту або промисловості, в якій використовували б рідина і не застосовували відцентрові насоси. Найбільш популярні області застосування:

3.4 Електродвигун відцентрових насосів

В якості приводу для насосів систем водопостачання електродвигуни змінного струму. Своє поширення вони отримали за рахунок компактності, простоти з'єднання з насосом, легкої автоматизації і щодо низькому енергоспоживанню.

До приводам насосних агрегатів пред'являється ряд вимог, таких як високі потужності і необхідність пуску двигуна під навантаженням. Також конструкція електродвигуна повинна допускати тривалий обертання ротора в зворотну сторону, яке викликане зливом води з напірних трубопроводів при відключенні насоса від харчування.

Дуже важливим показником для ЕП насоса є можливість повторно-короткочасних запусків, що, в свою чергу, висуває підвищені вимоги до конструкції пускової обмотки статора.

Для невеликих насосів найчастіше застосовують короткозамкнені асинхронні електродвигуни (малюнок 5). Вони набагато дешевше інших типів електродвигунів і істотно простіше в обслуговуванні. При пуску АД с кз не потрібно ніяких додаткових пристроїв, що значно спрощує схему автоматичного керування насосом [10].

Будова асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором
1 – вал; 2 – обмотки статора; 3 – сердечник статора; 4 – короткозамкнений ротор; 5 – сердечник ротора; 6 – крильчатки вентиляторів; 7 – корпус.

Рисунок 5 – Будова асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором

Однак, у таких двигунів є істотний недолік – це висока кратність пускових струмів при прямому включенні, вони перевищують номінальний струм в 5-7 разів. Такий короткочасний поштовх струму відносно безпечний для двигуна, але він викликає різке зниження напруги в мережі живлення, що може несприятливо позначитися на інші її користувачів, тому максимально допустима потужність АД с кз при прямому пуску відносно невелика – до 100 кВт.

4. Способи підключення трифазного двигуна в однофазну мережу

Часто люди стикаються з проблемою відсутності мережі 380В у себе вдома, але це не означає, що у них немає можливості користуватися насосами з трифазним електродвигуном. Звичайно, доведеться пожертвувати близько 30% паспортної потужності, але для більшості цілей в побуті це дуже прийнятно.

Основною проблемою такого підключення є створення обертового магнітного поля, яке наводить ЕРС в короткозамкненим роторі. Для цього необхідно зрушити фази в обмотках на120°, але на практиці це важко реалізувати, такі схеми досить дорогі і їх виготовлення і настройка вимагають високої кваліфікації. Тому в більшості випадків застосовують прості і недорогі схеми, при цьому кілька жертвуючи потужність. Зрушення фаз за допомогою конденсатора – один з них.

При використанні такого методу зсув фаз відбувається тільки на 90°, але його цілком достатньо, щоб на роторі з'явився необхідний крутний момент [11].

Існують дві основні схеми підключення фазозсувного конденсатора – трикутник і зірка. Як правило, робочий конденсатор Ср підключається паралельно одній з обмоток, як показано на малюнку 6.

Схеми підключення робочого конденсатора

Рисунок 6 – Схеми підключення робочого конденсатора

4.1 Конденсаторний запуск схеми трикутника

При конденсаторному запуску схеми «трикутник» фази чергуються з'єднанням початку однієї з кінцем попереднього, при цьому до однієї з фаз паралельно підключений робочий конденсатор. Такий спосіб пуску дозволяє досягти більшої корисної потужності, ніж робота за схемою зірка, проте вимагає великих стрибків пускового струму, що може згубно позначитися на електродвигуні [12].

Розрахунок ємності робочого конденсатора Ср для підключення обмоток трикутником наведено нижче:

Формула розрахунку ємкості робочого конденсатора для підключення обмоток трикутником

где I – струм, А;

U – напруга мережі, В;

P – потужність, Вт;

η – ККД

cosφ – коефіцієнт потужності.

4.1 Конденсаторний запуск схеми зірка

При запуску електродвигуна за схемою зірка за рахунок конденсатора необхідно зібрати обмотки кінцями на одній клеми – нейтрали, а своїми початками виводять на клемник для підключення в мережу. Даний метод пуску дозволяє забезпечити плавний пуск, без сильних коливань пускового струму, але і корисною потужності двигун видаватиме менше [12].

В такому випадку ємність робочого конденсатора буде розраховуватися так:

Формула розрахунку ємкості робочого конденсатора для підключення обмоток зіркою

З формули можна побачити, що ємність конденсатора при запуску за схемою зірка менше, ніж при запуску за схемою трикутник приблизно в 1,7 разів. З цього можна зробити висновок, що конденсаторний запуск схеми зірка більш економічний, тому, якщо від приводу не потрібна висока потужність, рекомендовано використовувати саме цю схему.

Список джерел

  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/...