Автоматизированный электропривод насоса ЭЦВ8-40-125

Для установок сравнительно небольшой мощности (7-10 кВт) задача регулирования успешно решается с помощью системы регулятор напряжения - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. В качестве регулятора напряжения часто применяют тиристорный коммутатор (Рисунок 1,а). Вентиляторная механическая характеристика нагрузки позволяет обеспечить устойчивую работу электропривода по системе ТК - АД в достаточно большом диапазоне скорости без обратных связей (Рисунок 1, б).

Обычно изменение технологического режима, в котором участвует регулируемый электропривод, протекает достаточно медленно и не требует от привода высокого быстродействия. Поэтому в качестве регулятора напряжения может быть использован и трехфазный магнитный усилитель МУ, включенный в цепь статора (Рисунок 2-7).

Рисунок 1 - Схема (а) и механические характеристики (б) системы ТК - АД с вентиляторной нагрузкой на валу

Рисунок 2 - Схема системы МУ - АД

Этот аппарат хотя и обладает магнитной инерционностью, однако отличается простотой исполнения и надежностью в работе. Магнитный усилитель с внутренней положительной обратной связью по току (с самоподмагничиванием) работает в режиме, близком к режиму регулятора напряжения. Поэтому механические характеристики такой системы привода аналогичны характеристикам системы ТК - АД.

Развитие полупроводниковой техники позволяет в настоящее время реализовать импульсный способ регулирования скорости асинхронного двигателя. На Рисунке 2,а приведена принципиальная схема включения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с импульсным изменением активного сопротивления его статорной цепи. Тиристорный ключ ТК, замыкаясь на время и размыкаясь на время , изменяет среднее за цикл коммутации значение дополнительного сопротивления . Сопротивление пропорционально скважности широтно-импульсной модуляции

(2-16)

Рисунок 3 - Схема (а) и механические характеристики (б) системы импульсного регулирования сопротивления в статорной цепи

Регулируя скважность , можно получить семейство механических характеристик электропривода, изображенных штриховыми линиями на Рисунке 3,б, причем при и при . Параметр зависит от управляющего напряжения на входе системы управления тиристорным ключом СУ. Так как критическое скольжение двигателя уменьшается при увеличении , то диапазон скоростей устойчивой работы привода даже при “вентиляторной” характеристике механизма оказывается весьма незначительным.

Введение отрицательной обратной связи по скорости обеспечивает жесткие характеристики и устойчивую работу замкнутой системы электропривода в требуемом для механизма диапазоне скоростей. Механические характеристики электропривода с обратной связью по скорости показаны на Рисунке 2-3,б сплошными линиями для трех значений задающего напряжения . Регулируемые привода многих механизмов центробежного типа работают в тяжелых условиях окружающей среды, что затрудняет использование коллекторных машин. Поэтому часто в качестве датчика обратной связи по скорости применяются тахогенераторы переменного тока.

При выполнении системы управления тиристорным ключом на постоянном токе управляющая обмотка ОУ однофазного тахогенератора ТГ соединяется с системой управления тиристорным ключом СУ через согласующий элемент СЭ, который в простейшем случае для нереверсивного привода представляет собой выпрямительный мост.

Общим недостатком рассмотренных вариантов регулируемого электропривода является выделение потерь скольжения при снижении скорости в самом двигателе. Эти потери вызывают дополнительный нагрев двигателя и требуют соответствующего завышения установленной мощности двигателя. Вопрос об определении необходимого завышения номинальной мощности будет рассмотрен ниже.

В установках, где по условиям эксплуатации допустимо применение асинхронного двигателя с фазным ротором, возможности регулируемого электропривода расширяются. Введение дополнительного сопротивления в цепь ротора позволяет вывести часть потерь скольжения из обмоток двигателя. Благодаря этому снижается необходимое завышение габарита двигателя и появляется возможность расширить диапазон мощностей привода при рассмотренных выше способах регулирования скорости. Например, импульсный способ регулирования окажется более целесообразным применительно к коммутации дополнительного сопротивления в роторной цепи (Рисунок 4,а). При этом механические характеристики привода обеспечивают устойчивую работу в достаточно большом диапазоне скоростей при разомкнутой системе электропривода (Рисунок 4,б). По своим характеристикам данный способ аналогичен реостатному. Его достоинство по сравнению с реостатным способом - возможность плавного регулирования сопротивления.

электропривод управление насос двигатель

Рисунок 4 - Схема (а) и механические характеристики (б) системы импульсного регулирования сопротивления в роторе

Для мощных приводов находят применение асинхронные и синхронные двигателя в сочетании с регулируемыми муфтами скольжения. В варианте электропривода с гидромуфтой угловая скорость ведомой полумуфты изменяется за счет изменения подачи жидкости в полости муфты. По экономичности данный способ регулирования аналогичен реостатному. Потери мощности скольжения выносятся при этом из роторной цепи двигателя и выделяются в муфте. Механические характеристики электропривода с гидромуфтой показаны на Рисунке 2-5. Скорость ведомой полумуфты, соединенной с валом механизма, изменяется согласно с его характеристикой и характеристикой муфты.

Рисунок 5 - Механические характеристики электропривода с гидромуфтой

Наиболее эффективный способ регулирования предусматривает изменение скорости вращения рабочего колеса насоса. Благодаря этому можно обеспечить требуемый напор во всей области регулирования, не ухудшая при этом КПД насоса в сравнении с дросселированием. На рисунке 2-6 показано, как изменяется механическая характеристика насоса в зависимости от частоты вращения электродвигателя.

Рисунок 6

Физический принцип действия циркуляционных насосов определяет законы подобия для основных характеристик насоса: производительность насоса Q линейно зависит от скорости вращения колеса, создаваемый при этом напор ДH зависит от квадрата скорости, и, соответственно, требуемая при этом механическая мощность P зависит от куба скорости. Таким образом, потребление электроэнергии при частотном регулировании пропорционально кубу производительности насоса. Регулирование скорости вращения рабочего колеса насоса возможно с помощью электронных преобразователей частоты, которые обеспечивают качественное управление асинхронными электродвигателями в широком диапазоне изменения частоты. При этом с помощью преобразователя частоты по сигналу от датчика давления, установленного в напорном трубопроводе, можно автоматически изменять частоту вращения рабочего колеса насоса, оперативно реагируя на изменение расхода жидкости и обеспечивая поддержание заданного давления с высокой точностью. Применение преобразователей частоты обеспечивает следующие преимущества по сравнению с другими методами:

эффективное использование асинхронных электродвигателей, дешевых в эксплуатации и ремонте;

КПД электродвигателя во всем диапазоне регулирования максимально соответствует КПД электродвигателя в номинальном режиме;

КПД преобразователя 95 - 98 %, коэффициент мощности около 1,0;

плавный пуск электродвигателя, отсутствие гидравлических ударов;

снижения уровня шума при пуске и работе;

автономная безопасная работа, интеграция в АСУ ТП.

Рисунок 7

Рисунок 7 даёт сравнение различных методов регулирования производительности насосов с точки зрения потребления электроэнергии.

Наибольшая эффективность применения преобразователей частоты проявляется на объёктах с большой суточной, сезонной переменной нагрузкой, расходом, т.е. требует большой глубины регулирования. При малых расходах воды насосный агрегат вращается на малой скорости, обеспечивающей поддержание номинального давления, потребляя при этом только то количество электроэнергии, которое необходимо для выполнения технологической задачи. При работе в энергоэффективном режиме экономится не только электроэнергия и ресурс оборудования, но и в зависимости от функции автоматизируемого объекта - вода, тепло.

Увеличение ресурса электродвигателя при этом способе регулирования напрямую связано с ресурсом подшипников, который определяется радиальными и осевыми нагрузками и частотой вращения. В общем случае можно пренебречь тем фактом, что при снижении частоты энергетическая составляющая вибрации уменьшается пропорционально квадрату, и в расчете ресурса подшипников учитывать только уменьшение скорости вращения. Именно благодаря регулированию скорости, в среднем в 2,5 - 3 раза, удаётся увеличить межремонтные интервалы насоса и электродвигателя.

3. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Исходные данные для расчета

Исходные данные:

Qном. =40 м3 /час;

Нном.т.м.=121м;

Нст.=113м.

Характеристики насоса показаны на Рисунках 8, 9, 10.

Рисунок 8 - Характеристика H=f(Q)

Рисунок 9 - Характеристика P=f(Q)

Рисунок 10 - Характеристика =f(Q)

Согласно показанным характеристикам насос имеет следующие номинальные параметры:

- номинальный напор насоса, ;

- номинальная подача насоса, ;

- номинальный напор магистрали, ,

- статический напор в сети (номинальная высота подъема), .

Так как магистраль в нашем случае со статическим напором, то ее характеристика имеет следующий вид:

.

Характеристика магистрали с естественной напорной характеристикой изображена на рисунке 11.

Рисунок 11 - Совместная работа турбомеханизма и магистрали

3.2 Расчет основных параметров насоса и двигателя