Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности
Министерство
образования Российской Федерации
Чувашский
государственный университет им. И.Н. Ульянова
Кафедра
«Системы автоматизированного управления электроприводами»
Курсовой
проект
по дисциплине
“Автоматизированный
электропривод промышленных установок и технологических комплексов”
На тему:
Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов
регулирования производительности.
Проверил:
профессор, к.т.н.
Ларионов Владимир Николаевич
Чебоксары,
2005
Содержание
1. Введение
2. Построение характеристик насоса для скоростей, отличных от
номинальной и характеристики магистрали
3. Расчет и выбор электродвигателя и асинхронно-вентильного
каскада
4. Расчет и построение механических характеристик .
5. Расчет потерь скольжения, потерь в асинхронно-вентильном
каскаде и потерь в роторе
6. Расчет мощности, потребляемой из сети приводом при
регулировании задвижкой и с помощью асинхронно-вентильного каскада .
7. Список использованной литературы
1.
Введение
Современное промышленное
и сельскохозяйственное производство, транспорт, коммунальное хозяйство, сферы
жизнеобеспечения и быта связанны с использованием разнообразных технологических
процессов, большинство из которых основано на применении рабочих машин и
механизмов, разнообразие и число которых огромно. Там, где применяются
технологические машины – используется электропривод. Практически все процессы,
связанные с движением с использованием механической энергии, осуществляются
электроприводам. Исключение составляют лишь некоторые транспортные и
сельскохозяйственные машины (автомобили, тракторы и др.), но и в этой области
перспективы использования электропривода стали вполне реальны.
Электропривод – главный
потребитель электрической энергии. В развитых странах на долю электропривода
приходится свыше 60% всей вырабатываемой электроэнергии.
Электроприводы различны
по своим техническим характеристикам: по мощности, скорости вращения,
конструктивному исполнению и другим. Мощность электроприводов прокатных станов,
компрессоров газоперекачивающих станций и ряда других уникальных машин доходит
до нескольких тысяч киловатт. Мощность электроприводов, используемых в
различных приборах и устройствах автоматики, составляет несколько ватт.
Диапазон мощности электроприводов очень широк. Также велик диапазон
электроприводов по скорости вращения.
Большинство
производственных рабочих машин и механизмов приводится в движение
электрическими двигателями. Двигатель вместе с механическими устройствами
(редукторы, трансмиссии, кривошипно-шатунные механизмы и др.), служащими для
передачи движения рабочему органу машины, а также с устройствами управления и
контроля образует электромеханическую систему, которая является энергетической,
кинематической и кибернетической (в смысле управления) основой функционирования
рабочих машин.
В более сложных
технологических машинных комплексах (прокатные станы, экскаваторы,
обрабатывающие центры и другие), где имеется несколько рабочих органов или
технологически сопряженных рабочих машин, используется несколько электромеханических
систем (электроприводов), которые в сочетании с электрическими системами
распределения электроэнергии и общей системой управления образуют
электромеханический комплекс.
Большие скорости
обработки, высокая и стабильная точность выполнения технологических операций
потребовали создания высокодинамичных электроприводов с автоматическим
управлением. Стремление снизить материальные и энергетические затраты на
выполнение технологических процессов обусловило необходимость технологической и
энергетической оптимизации процессов; эта задача также легла на электропривод.
На этапе технического развития машинного производства, достигнутого к концу XX века, электромеханические комплексы
и системы стали определять технологические возможности и технический уровень
рабочих машин, механизмов и технологических установок.
Создание современных
электроприводов базируется на использовании новейших достижений силовой
электротехники, механики, автоматики, микроэлектроники и компьютерной техники.
Это быстро развивающиеся области науки, что определяет высокую динамичность
развития электромеханических систем.
В последние годы с
появлением доступных технических средств для регулирования скорости асинхронных
двигателей для привода насосов в системах тепло- и водоснабжения стали
применятся регулируемые электроприводы.
Электропривод насоса
выполняет две функции: преобразует электрическую энергию в механическую,
необходимую для подачи воды потребителю, и управляет работой установки таким
образом, чтобы поддерживать требуемую величину напора и расхода воды.
Автоматизированный
электропривод получил в последние десятилетия интенсивное ускоренное развитие.
Это определяется, в первую очередь, общим прогрессом машиностроения,
направленным на интенсификацию производственных процессов, их автоматизацию,
повышение точностных характеристик и других технических требований, связанных с
обеспечением стабильности качества производимой продукции.
Вторым обстоятельством,
обусловившим развитие электропривода, явилось распространение его применения не
только на промышленное производство, но и на другие сферы, определяющие
жизнедеятельность человека: сельское хозяйство, транспорт, медицину,
электробытовые установки и др.
Третья причина связана с
наметившимся переходом от экстенсивного развития производства электрической
энергии к более эффективному ее использованию. Повышение эффективности
электромеханического использования электроэнергии всецело зависит от
совершенствования электропривода.
2.
Построение характеристик насоса для скоростей, отличных от номинальной и
характеристики магистрали
Исходные данные:
(η,4*%)
Рис. 2.1 Характеристика
насоса Д5000-32-2; n=585об/мин.
Производительность и
напор находятся по формулам:
,
. (2.1)
Номинальные значения
производительности и напора соответствуют
значениям на характеристике насоса для номинальной скорости.
Рассчитаем характеристику
насоса для различных скоростей по формулам 2.1. Результаты занесем в таблицу
2.1.
Далее рассчитаем
характеристику магистрали по двум точкам. По заданию известно, что статический
напор м. Также известно, что при м3/ч напор м. Известно, что:
(2.2)
Определим . Из формулы (2.2) имеем:
,
Получим:
.
Тогда зависимость для магистрали выражается формулой:
(2.3)
Используя формулу (2.3)
рассчитаем несколько точек магистрали. Результаты занесем в таблицу 2.2.
Таблица 2.1.
Точка
|
1
|
2
|
3
|
|
Q,м3/ч
|
900
|
3000
|
4800
|
Н, м
|
20
|
17
|
12
|
|
Q,м3/ч
|
630
|
2100
|
3360
|
9,8
|
8,33
|
5,88
|
|
Q,м3/ч
|
720
|
2400
|
3840
|
Н, м
|
12,8
|
10,88
|
7,68
|
|
Q,м3/ч
|
810
|
2700
|
4320
|
Н, м
|
16,2
|
13,77
|
9,72
|
Таблица 2.2.
Q,м3/ч
|
0
|
500
|
1000
|
1500
|
2000
|
2500
|
3000
|
Н, м
|
8
|
8.495
|
9.98
|
12.455
|
15.92
|
20.375
|
25.82
|
По точкам из таблиц 2.1 и
2.2 построим семейство характеристик насоса для скоростей от ωН до
0,7ωН и характеристику магистрали (рис.2.2).
Рис. 2.2 Характеристики
насоса для скоростей отличных от номинальной и характеристика магистрали.
3. Расчет
и выбор электродвигателя и преобразователя частоты
Мощность насоса в кВт в
рабочей точке определяется по формуле:
,
(3.1)
где НН [м],
QH [м3/ч] и ηН -
значения напора, производительности и КПД, соответствующие точке пересечения
характеристики насоса и магистрали;
-
плотность перекачиваемой среды в кг/м3;
Получим:
кВт.
Двигатель выбираем исходя
из условия:
Выберем двигатель серии
АК с фазным ротором:
Тип двигателя –
АК12-42-10 УХЛ4
Синхронная частота
вращения – nН=600 об/мин.
Номинальная мощность – РН=200
кВт.
Напряжение статора – U1л=6000 В.
Напряжение ротора – Е2к=500
В.
Ток ротора – I2=270 А.
Номинальный КПД – h H=91,0 %.
Номинальное скольжение
2.5%
Номинальный cosφ – cosφн =0.79
Отношение максимального
момента к номинальному – ММАХ/ ММIN=2.4.
Электродвигатели
переменного тока с фазным ротором серии АК предназначены для привода механизмов:
– требующих регулирования
частоты вращения (ленточных конвейеров и др.);
– не требующих
регулирования частоты вращения, но с тяжелыми условиями пуска (вентиляторов,
цементных и угольных мельниц и др.)
Двигатели предназначены
для работы от сети переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 6000 В.
Номинальный режим работы — продолжительный (S1). Пуск двигателей серии АК
осуществляется как вручную с помощью пускового реостата, так и автоматически с
помощью магнитной станции. Пусковой реостат или магнитная станция по требованию
заказчика могут поставляться комплектно с электродвигателем.
Двигатели допускают два
пуска подряд из холодного состояния и один пуск из горячего состояния.
Конструктивное исполнение двигателей по способу монтажа - горизонтальное, без
фундаментной плиты, с двумя щитовыми подшипниками, с одним свободным концом
вала для соединения с рабочим механизмом при помощи полумуфты. Двигатели
выполняются защищенными. Предназначены для работы с самовентиляцией в закрытых
помещениях с нормальной окружающей средой. Изоляционные материалы обмотки
статора класса нагревостойкости не ниже «В».
Обмотка статора имеет
шесть выводных концов, закрепленных на четырех изоляторах в коробке выводов.
Схема соединения фаз — звезда.
Коробка выводов статора
располагается с правой стороны, если смотреть на свободный конец вала (левое
расположение указывается в заказе). Двигатели допускают правое и левое
направления вращения. Изменение направления вращения осуществляется только из
состояния покоя.
Структура условного обозначения:
АК — ХХ -ХХХ-Х-ХХХХ4
ХХ — габарит
электродвигателя
ХХХ — полная длина
сердечника статора в см
Х — число полюсов
ХХХХ — климатическое
исполнение
4 — категория размещения
Степень защиты IP01
Форма исполнения 1M1001
Способ охлаждения IC01
Режим работы S1
Двигатели могут
изготавливаться на напряжение 3000В.
Регулирование скорости
двигателя осуществляется с помощью асинхронно-вентильного каскада.
Исходя из мощности
двигателя выбираем АВК:
Тип АВК – ЭКА4-630-380.
Напряжение питания
инвертора – UПИТ=380 В.
Номинальная мощность
преобразователя – РН=500 кВт.
Номинальный фазный ток
ротора – I2=435 А.
Рабочее линейное
напряжение ротора – U2, ЛИН=680 В.
Электроприводы по схеме
асинхронного вентильного каскада ЭКА-4 предназначены для регулирования скорости
асинхронных электродвигателей с фазным ротором мощностью до 5000 кВт с отдачей
энергии скольжения в питающую сеть и могут быть использованы для изменения
производительности насосных агрегатов и поддержания давления на их выходе, а
также в ряде других производственных механизмах с тяжелыми условиями пуска и
частичным диапазоном регулирования скорости (дробилки, цементные вращающиеся
печи и др.).
Электроприводы включают в
себя тиристорно-диодный агрегат со сглаживающим дросселем и согласующим
трансформатором (при питании агрегата от высоковольтной сети), блоки пусковых
резисторов, станцию управления пуском и остановом электродвигателя, а также
шкаф управления переключением на резервный электродвигатель и шкаф управления
пуском резервного электродвигателя на пусковых резисторах.
Предусмотрено местное
управление электродвигателями со станции управления и дистанционное – с пульта
управления.
Электроприводы выполнены
с применением микроконтроллеров серии PIC, имеют связь с ЭВМ высшего уровня по
каналу RS 485.
Имеется защита роторных
цепей электродвигателя от перенапряжений при исчезновении напряжения питания с
высокой стороны.
Электроприводы позволяют:
существенно экономить
электроэнергию;
избежать частых пусков
электродвигателя при изменении подачи в замкнутых по уровню системах
регулирования водоснабжения;
уменьшить
эксплуатационные и капитальные затраты по сравнению с высоковольтными
частотно-регулируемыми электроприводами, поскольку установленная мощность
электрооборудования определяется диапазоном регулирования скорости.
4. Расчет
и построение механических характеристик
Как известно, мощность
насоса определяется по формуле:
;
(4.1)
Разделив обе части этого
равенства на скорость, получим выражения для момента в зависимости от скорости
;
(4.2)
Используя полученную
формулу, построим механическую характеристику насоса. Для этого находим по
графику Q, H, η, соответствующие точке пересечения характеристики
магистрали и характеристики насоса для одной из скоростей.
кНм,
с-1,
а
об/мин.
кНм,
с-1.
кНм,
с-1.
кНм,
с-1.
Таким образом, статическая
механическая характеристика насоса имеет вид, изображенный на рис.4.1.
Определим показатель
степени k. Показатель степени k определим по формуле:
(4.3)
Рис. 4.1 Статическая
механическая характеристика насоса
Найдем из рис. 2.2
производительности и напоры, соответствующие двум разным скоростям, например и .
с-1;
м;
м3/ч;
с-1;
м;
м3/ч;
Подставляя полученные
значения в формулу (4.3) получим:
.
Таким образом,
статическая механическая характеристика насоса принимает вид:
,
где
Нм.
Номинальный момент
двигателя:
Нм.
Для построения семейства
механических характеристик двигателя при регулировании скорости с помощью асинхронно-вентильного
каскада будем использовать следующее выражение:
,
Где - скольжение холостого хода;
-
индуктивное сопротивление рассеяния фазы двигателя, приведенной к обмотке
ротора;
Принебрегая активным
сопротивлением статора, т.е. полагая , что допустимо для
двигателей большой мощности получим:
,
(4.4)
где . Здесь - активное
сопротивление ротора.
Найдем сопротивление
ротора по формуле:
Ом,
где
Найдем индуктивное
сопротивление рассеяния фазы двигателя, приведенной к обмотке ротора из формулы:
,
Т.к. Мmax/ Мн=2.4, то Нм.
Тогда Ом.
Тогда .
Меняя в формуле (4.4) , строим регулировочные характеристики при
регулировании с помощью АВК.
Рис 4.2 Регулировочные
характеристики при регулировании с помощью АВК и статическая механическая
характеристика насоса.
5. Расчет
потерь скольжения, потерь в асинхронно-вентильном каскаде и потерь в роторе
Потери в роторе
определяются из выражения
.
Известно, что на линейном
участке механической характеристики асинхронного двигателя, момент прямо
пропорционален току ротора, тогда из выражения
следует, что
.
В этом случае, формула
для потерей в роторе принимает вид
.
Потери скольжения
определяются как
Или
.
Потери в
асинхронно-вентильном каскаде определяются как
.
Подставляя в это
выражение и , получим
,
где .
Тогда потери в АВК
определятся по формуле:
Рис 5.1 Потери
скольжения, потери в роторе и в АВК
6. Расчет
мощности, потребляемой из сети приводом при регулировании задвижкой и с помощью
асинхронно- вентильного каскада
Мощность, потребляемая
асинхронным двигателем из сети, определяется как
.
Для построения графика
зависимости находим на характеристике насоса (рис.2.1)
при номинальной скорости двигателя напор и КПД, соответствующие заданной
производительности и подставляем в приведенную выше формулу. Далее из рис.2.1 и
2.2 находим напор и КПД для работы при других скоростях. Таким образом, получим
несколько точек искомой зависимости (табл.6.1), по которым и построим график
зависимости мощности, потребляемой асинхронным двигателем от производительности
насоса (рис.6.1).
При работе с номинальной
скоростью получим
,
, , тогда
кВт.
Таблица 6.1.
|
2250
|
1825
|
1425
|
825
|
|
18
|
14.8
|
12
|
9.5
|
|
0.68
|
0.6
|
0.47
|
0.33
|
|
177.99
|
134.53
|
108.73
|
70.98
|
Мощность, потребляемая из
сети, определяется как
.
При регулировании
скорости с помощью АВК часть энергии скольжения теряется в роторе и в АВК, а
часть возвращается обратно в сеть.
Найдем мощность, возвращаемую
в сеть:
.
Таким образом, с учетом
отдачи части энергии скольжения обратно в сеть, мощность, потребляемая из сети,
определится как
.
Т.к. скорость двигателя
прямо пропорциональна производительности
,
тогда подставив это
равенство в выражение для мощности, потребляемой из сети, получим
.
Рис. 6.1. Зависимость
мощности, потребляемой из сети приводом при регулировании задвижкой и с помощью
асинхронно-вентильного каскада, от производительности
Таким образом, при
регулировании производительности насоса с помощью АВК имеется значительный
выигрыш электроэнергии по сравнению с регулированием задвижкой.
7. Список
использованной литературы
1.
Соколов М.М.
«Автоматизированный электропривод общепромышленных механизмов» М.:Энергия, 1976 г.
2.
Ключев В.И.
«Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов» М.:Энегрия, 1980 г.
3.
Конспект лекций.