В современных отечественных и зарубежных системах регулирование режимов работы насосных установок осуществляется посредством автоматизированного регулируемого электропривода. В таких системах регулируемым параметром является напор жидкости. Современное развитие техники позволяет поддерживать заданный напор с большой точностью. Однако высокая точность влечет за собой непрерывное изменение частоты вращения электродвигателя насосного агрегата и вследствие этого способствует возникновению знакопеременных нагрузок на отдельные элементы насосного агрегата (эластичные муфты, соединяющие насос с двигателем и др.), ведущих к преждевременному их износу. Поэтому в ряде случаев приходится устанавливать повышенную зону нечувствительности системы регулирования, что понижает точность стабилизации напора.

Стабилизация напора жидкости осуществляется за счет того, что при уменьшении водозабора напор в сети увеличивается, а частота вращения электродвигателя насоса в результате действия системы регулирования уменьшается. При увеличении водопотребления, наоборот, напор жидкости в сети падает, а частота вращения увеличивается. Основная цель системы стабилизации напора жидкости в системе трубопроводов заключается в поддержании напора на заданной отметке. В системах стабилизации напоров в сети, необходимо предусматривать включение дополнительных нерегулируемых насосов при существенных увеличениях притока или водопотребления и отключение их при уменьшении. Регулируемым приводом должны оснащаться наиболее крупные насосные агрегаты с наиболее пологой характеристикой. В случае использования однотипных насосов во избежание образования мертвых зон рабочие колеса нерегулируемых насосов должны иметь диаметры, меньшие регулируемых. При равенстве диаметров и работе регулируемого насоса в режиме максимальных подач с повышенной частотой вращения (в случае применения частотного электропривода) он должен быть укомплектован двигателем повышенной мощности в соответствии с рекомендациями.

Несмотря на явные преимущества, регулируемый электропривод еще не получил широкого распространения в насосных установках. В настоящее время сложились условия, требующие его более широкого использования. Бурное развитие полупроводниковой техники позволило создать на базе статических преобразователей надежные и сравнительно недорогие регулируемые электроприводы. Кроме того, мировой энергетический кризис наглядно продемонстрировал подлинную ценность энергетических ресурсов и стимулировал меры по их рациональному расходованию. В результате этого расширились работы по исследованию, разработке и созданию насосных установок, оснащенных автоматизированным регулируемым электроприводом. Ниже приводится описание некоторых, наиболее характерных установок.

В насосной станции Москвастрой (г. Москва) обычный короткозамкнутый асинхронный электродвигатель насоса мощностью 110 кВт/ч включен через преобразователь ПЧТ, разработанный в НИИ ХЭМЗ. Система управления электроприводом построена аналогично ранее описанным, за исключением того, что в качестве преобразователя уровня в системе использован ультразвуковой уровнемер ЭХО3. Применение частотного электропривода в этой установке уменьшает потребление электроэнергии на 60 тыс. кВт - ч в год, т.е. примерно на 5 %.

В насосных станциях используются также частотные преобразователи типа ПЧР-2 и производства финской фирмы Stromberg, на основе которых созданы и работают свыше 10 систем автоматического регулирования режима работы насосных станций с агрегатами мощностью от 75 до 160 кВт. Система регулирования с применением частотного преобразователя типа SAMI фирмы Stromberg длительное время эксплуатируется на Ново-Нагатинской станции, обеспечивая экономию электроэнергии 7-8% общего ее потребления.

Частотные преобразователи фирмы Stromberg - высоконадежные и достаточно компактные средства регулирования насосных агрегатов. Для обеспечения равномерного использования насосных агрегатов предусматривается устройство, с помощью которого они могут поочередно подключаться к одному преобразователю.

Известны случаи применения отечественных частотных преобразователей типа ПЧТ в г. Харькове, типа ЭКТ - в г. Ленинграде и др.

На Филевской насосной станции г. Москва внедрена САУ с использованием электропривода на базе вентильного электродвигателя. Из шести насосов марки 30-ФВ-17, установленных на станции, один из них оснащен таким электроприводом с применением преобразователя ПЧВН, разработанного НИИ ХЭМЗ. Мощность электропривода 1600 кВт, напряжение двигателя 10 кВ. Преобразователь подключен к питающей электросети через понижающий сухой трансформатор мощностью 4000 кВА, а двигатель - к преобразователю через такой же повышающий трансформатор. В состав преобразователя входит также тиристорный преобразователь питания системы возбуждения синхронного электродвигателя, который при внедрении электропривода не заменялся. Система управления электроприводом насоса аналогична вышеописанным. В качестве датчика уровня использован воздушный колокол и дифманометр с выходом 0-5 мА. В системе управления использован ПИ-регулятор типа Р-17. Применение САУ с регулируемым электроприводом снизило потребление электроэнергии примерно на 1200 тыс. кВт-ч год, улучшило условия эксплуатации насосного оборудования, облегчило условия работы оперативного персонала.

Анализ работы САУ и выполненные расчеты показывают, что оборудование аналогичным электроприводом второго насосного агрегата позволяло бы увеличить экономию электроэнергии почти вдвое. На станции прошло проверку устройство, исключающее работу регулируемого насоса в зоне низких КПД.

Возможность управления частотой вращения короткозамкнутых асинхронных электродвигателей была доказана сразу же после их изобретения. Реализовать эту возможность удалось лишь с появлением силовых полупроводниковых приборов - сначала тиристоров, а позднее транзисторов IGBT. В настоящее время во всём мире широко реализуется способ управления асинхронной машиной, которая сегодня рассматривается не только с точки зрения экономии энергии, но и с точки зрения совершенствования управления технологическим процессом.

Управление электродвигателями переменного тока осложнено рядом обстоятельств, из которых наиболее существенные это:

- момент электродвигателя определяется произведением двух результирующих векторов электромагнитных параметров статора и ротора и является функцией четырех переменных;

- имеется сильное взаимодействие намагничивающих сил статора и ротора, взаимное состояние которых непрерывно меняется при вращении ротора;

- с целью лучшего использования двигателя в различных режимах его работы возникает задача регулирования магнитного потока двигателя.

Требования к электроприводу определяются диапазоном регулирования скорости и типом нагрузки. Зависимость между скоростью вращения и моментом сопротивления неодинаковы для нагрузок разного типа.

Некоторые виды нагрузки имеют переменную механическую характеристику, для которой момент нагрузки возрастает с увеличением скорости вращения. Типичным примером устройств с такой нагрузкой являются насосы, чья механическая характеристика описывается уравнением квадратичной параболы, а значит, потребляемая мощность пропорциональна кубу скорости вращения. Из этого следует, что даже небольшое снижение скорости электропривода может дать значительный выигрыш в мощности - вот почему экономия электроэнергии является главным преимуществом использования управляемого электропривода для насосов. Теоретически снижение скорости на 10% даёт тридцати процентную экономию мощности.

Использование регулируемого электропривода в турбомеханизмах позволяет выиграть следующих моментах:

- высокий коэффициент мощности (cosц) помогает снизить затраты на потребляемую электроэнергию.

- за счет ликвидации токовых пиков при запуске отпадает необходимость в электрических кабелях большого сечения, в то время как двигатели с прямым подключением к сети питания поглощают ток, в 6-7 раз превышающий номинальное значение. Таким образом, можно избежать опасности поражения большими токами, а так же снизить расходы при установке и прокладке.

- отсутствие необходимости в техобслуживании: инвертор не требует техобслуживания, так как состоит из статических элементов.

- экономия электроэнергии от 30 до 60%.

Поэтому нет ничего удивительного в том, что непрерывно растет число предприятий, рассматривающих применение электроприводов с регулируемой частотой вращения как ключ к энергосбережению, повышению рентабельности и конкурентоспособности предприятия, улучшению экологической обстановки. Опыт индустриально развитых стран показывает, что при эффективной технической политике вопрос о том, куда направлять капиталовложения - на увеличение производства электроэнергии или на энергосбережение, в подавляющем большинстве случаев решается в пользу инвестиций в энергосбережение.

По данным консалтинговой группы ARCAdvisoryGroup (США), в 2007 году мировой рынок регулируемых электроприводов оценивался примерно в 2,6 млрд USD и в ближайшие несколько лет будет расти ежегодно на 5,3%. Предполагается, что за пять лет в индустриально развитых странах соотношение нерегулируемого и регулируемого электропривода составит 1:

1. В Белоруссии регулируемый электропривод составляет пока не более 2-2,5% всего рынка приводов.

Создание силовых полупроводниковых приборов с новыми свойствами и характеристиками позволило осуществлять преобразование электрической энергии в формах, наиболее удобных для ее электромеханического преобразования, что открыло широкие возможности для создания технически совершенных регулируемых электроприводов. А использование достижений микропроцессорной и компьютерной техники принципиально изменило элементную базу, функциональные возможности и "интеллект" систем управления электроприводами. Например, по данным EPRI (институт электроэнергетики США), в рамках реализации программы по реконструкции 60 энергоблоков ТЭС в период с 1986 по 1995 год введены более 300 частотно-регулируемых асинхронных электроприводов мощностью от 630 до 4500 кВт напряжением 2400, 4160 и 6600 В, что обеспечило годовую экономию электроэнергии около 1 млрд кВт. ч. Помимо прямой экономии электроэнергии, применение мощных частотно-регулируемых электроприводов с ВПЧ позволило поднять мощность энергоблоков. Для сравнения эффективности управления насосом с помощью ПЧ возьмем результаты исследований, проводившихся в России.

Традиционно для регулирования давления используются заслонки, которые изменяют производительность насоса. При использовании регулируемого электропривода с преобразователем частоты производительность насоса может изменяться за счет изменения частоты вращения двигателя.

Рисунок 2.1 - Схема применения ПЧИН-АД в насосной установке

Высокие показатели экономии электроэнергии связаны также с тем, что в результате испытаний выявлено существенное завышение номинальной мощности применяемых двигателей. При использовании преобразователей частоты в данной системе могут применяться электродвигатели существенно меньшей номинальной мощности. Проектирование различных систем водоснабжения с использованием регулируемого асинхронного электропривода позволяет оптимизировать их состав, обеспечить уменьшение их стоимости и существенную экономию электроэнергии при эксплуатации.

2.2 Выбор рациональной системы электропривода

Выбор системы управления осуществляется на основе анализа сравнительных технических данных, а именно: диапазона регулирования, способа управления, ресурса (уровня износостойкости), диапазона возможных мощностей электроприводов, показатели энергетики и динамики, а также дополнительных данных, определяющих условия эксплуатации электроприводов. Экономическая оценка систем управления должна базироваться на принципе минимальных расходов, связанных с первоначальными затратами, эксплуатационными затратами на ремонт, а также затратами на ремонт, а также затратами энергии. Выбирается система, обладающая наилучшими экономическими показателями. Если экономические показатели сравниваемых систем близки, то производится дополнительная оценка по массогабаритным показателям и условиям размещения электрооборудования. В настоящее время наибольшее распространение получили системы электроприводов переменного тока, т.к. они дешевле и надежнее электроприводов постоянного тока.

Выбираем скалярное управления насосами, так как оно имеет следующие преимущества:

Экономический эффект от внедрения преобразователей частоты: экономия электрической энергии благодаря оптимизации работы насосных агрегатов составляет в среднем по объектам 30 - 60%, снижение расхода воды до 5% и уменьшение скрытых утечек за счет обеспечения постоянства давления в сети и снятия избыточного напора.

Уменьшение напора при стабильной подаче.

Уменьшение механической, а, следовательно, и электрической мощности, потребляемой из сети, вследствие уменьшения скорости вращения

Исключение при регулировании гидравлических потерь в виду отсутствия дроссельных элементов.

Уменьшение реактивной мощности, которой обменивается электродвигатель с питающей сетью.

2.3 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода

Проектируемый автоматизированный электропривод насоса имеет датчик напора, регулятор давления, на вход которого подается разность сигнала задания и обратной связи по измеренному значению напора. В схему также введем обратную связь по току двигателя для компенсации падения напряжения на активном сопротивлении статора. Данный сигнал обратной связи вычитается из заданного значения ЭДС статора и поступает на блок регулятора напряжения. Поддержание напора в заданных пределах осуществляется изменением скорости вращения двигателя с помощью регулятора частоты. В блоке управления силовыми ключами обрабатываются сигналы с регуляторов частоты и напряжения, на основании которых вырабатываются управляющие импульсы, поступающие на транзисторы ПЧИН. Полученная функциональная схема представлена на рисунке 2.2.

ЗН - задатчик напора, Н_з - напряжение сигнала задания напора, Н_ос - напряжение сигнала обратной связи по измеренному напору, РД - регулятор давления, ФП - функциональный преобразователь ЭДС, РЧ - регулятор частоты, РН - регулятор напряжения, М - двигатель, Ф - фильтр, L - индуктивность фильтра, С₁ - конденсатор фильтра, Н - насос, ПЧ - преобразователь частоты, ДТ1-ДТ3 - датчики тока, АИН - автономный инвертор напряжения, ДН - датчик напора, НВ - неуправляемый выпрямитель, R₁ - активное сопротивление статора, E_з - заданное значение ЭДС статора, I₁ - ток статора, f - частота, K_дн - коэффициент обратной связи по напору, U - напряжение, БУСК - блок управления силовыми ключами.

Рисунок 2.2 - Функциональная схема электропривода насоса

3. Выбор электродвигателя

3.1 Анализ кинематической схемы механизма. Разработка расчетной схемы механической части электропривода и определение ее параметров

В кинематической схеме центробежного насоса Grundfos NB 50-200/210 не используются муфты, редукторы и другие передаточные механизмы (рис. 3.1).

1-электродвигатель;

2-рабочее колесо насоса.

Рисунок 3.1 - Кинематическая схема электропривода

Для анализа механической части электропривода реальный механизм заменяют динамически эквивалентной, приведенной расчетной схемой, состоящей из дискретных (сосредоточенных) инерционных элементов, соединенных между собой упругими связями, и обладающей таким же энергетическим запасом, как и реальная система. Здесь под дискретным инерционным элементом понимается тело, обладающее свойствами инерции, податливостью которого можно пренебречь. Под упругой связью понимается упругое звено, массой которого можно пренебречь. В приведенной расчетной схеме все инерционные элементы осуществляют один вид движения - вращательные. При этом они располагаются на какой-нибудь одной упругой связи. Расчетные параметры можно приводить к любому заранее выбранному месту кинематической схемы механизма, к любому упругому ее элементу. Если приведение производится к какому-нибудь валу механизма, то получается расчетная приведенная схема вращательной системы (рис.3.2), в которой все массы имеют общую геометрическую ось. В такой системе нагрузки характеризуются крутящими моментами М, инерционные моменты - моментами инерции J, упругие элементы - коэффициентами жесткости при кручении (крутильной жесткостью) Скр.

Рисунок 3.2 - Расчетная приведенная схема вращательной системы

Суммарный момент инерции электропривода определяется как:

.

Момент инерции двигателя дан в каталоге, а момент инерции рабочего колеса насоса:

(3.2)

Где h - толщина стали рабочего колеса насоса (3 мм);

- плотность стали (7,8 т/м³);

R - радиус рабочего колеса насоса (105 мм);

k - коэффициент, учитывающий массу лопаток и других частей механизма.

3.2 Расчет нагрузок и построение механической характеристики и нагрузочной диаграммы механизма

При пуске двигателя до момента, когда нагнетаемое давление сравняется с номинальным и откроется клапан, вода перемешивается насосом в ограниченном пространстве при этом практически отсутствуют потери на гидравлическое трение. На этом участке нагрузка на валу изменяется по формуле:

, (3.3)

где - М₀Ї момент развиваемый двигателем при нулевом расходе воды.

При открытии клапана начинается ток воды и появляется трение воды о стенки трубопровода, нагрузка изменяется по закону:

Расчет и построение технологических характеристик ,, , .

Для построения технологических характеристик необходимо использовать условие устойчивой работы магистрали и турбомеханизма:

, (3.4)

где , , , , .

Подставим начальные условия в (3.4):

. (3.5)

Выразим Q через w из (3.5). Получим зависимость :

. (3.6)

Из уравнения (3.1) можно также выразить w через Q:

. (3.4)

Характеристику магистрали рассчитывается по зависимости:

.

Уравнение сети при имеет вид:

Тогда,

. (3.5)

Если в (3.5) вместо H_маг подставить Н_т/м и приравнять к (3.2), то получим зависимость H=f (Q) насоса при данной скорости w.

. (3.6)

. (3.7)

Исходя из значений Q_i по формулам (3.5), (3.6) составим таблицу 3.1, в которой указаны значения скорости w_i от Q_i.

Таблица 3.1 - Значения скорости в зависимости от расхода

Qi, м3/ч	0	15	25	35	45	55	65	75
щi, рад/с	0	54,35	90,59	126,83	163,06	199,30	235,53	271,77

Пример расчета для подачи Q=35 м³/ч.

.

Изменяя в выражении 3.7 значение Q от 0 до 75 м³/ч, при помощи программы Mathcad строим характеристики H=f (Q) для каждой w_i (рис. 3.3).

Изменяя в выражении 3.5 значение Q от 0 до 75 м³/ч при помощи программы Mathcad строим характеристику магистрали (рис. 3.3).

Рисунок 3.3 - Характеристики H (Q) при изменении w (3-9), характеристика магистрали Н_маг (Q) (1), характеристика насоса (2)

Из рисунка 3.3 видно, чтобы поддерживать начальный напор стабилизации H_{стаб нач}=43 м необходимо вычислить минимальную объемную подачу (вычисляется из характеристики сети): м³

,=>.

Значит, если потребление воды будет меньше значения 73,25 м³/ч, то системой управления будет поддерживаться минимальный напор (начальный стабилизирующий напор) за счет поддержания скорости на заданном уровне.

Зная объемную подачу Q, определим скорость, при которой бы обеспечивался минимальный напор:

.

При найденной скорости будет поддерживаться начальный стабилизирующий напор H_{стаб нач}=43 м.

Суммарные потери рассчитываются по следующей формуле:

,

где - механические потери;

- гидравлические потери.

При Н_ст=0 получаем . Тогда формула примет вид:

, (3.7)

где

Вращающий момент равен:

(3.8)

При подстановке (3.7) в (3.8) получим:

(3.9)

Номинальная мощность насоса определяется по формуле:

.

Номинальный момент определяется так:

.

Подставляем известные данные в выражение (3.9):

(3.10)

Изменяя значение щ от 0 до щ_ном, при помощи программы Mathcad строим график зависимости М = f (щ) (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 - Механическая характеристика насоса.

Исходя из суточного распределения объема воды за рабочее время насоса, изображенного на рисунке 3.5, определяем скорость и статический момент по формулам (3.4) и (3.9) соответственно и строим скоростную и нагрузочную диаграммы, изображенные на рисунках 3.6 и 3.7. Составим таблицу 3.4, в которой кроме промежутков времени указаны значения скорости щ и M_ст от Q.

Таблица 3.4 - Данные для построения диаграммы механизма

Часы суток				Часы суток
1	2	3	4	1	2	3	4
0-1	15	54,35	6,37	12-13	65	235,53	36,15
1-2	15	54,35	6,37	13-14	65	235,53	36,15
2-3	5	18,12	4,89	14-15	65	235,53	36,15
3-4	5	18,12	4,89	15-16	65	235,53	36,15
4-5	5	18,12	4,89	16-17	65	235,53	36,90
5-6	5	18,12	4,89	17-18	55	199,30	27,22
6-7	25	90,59	9,35	18-19	55	199,30	27,22
7-8	25	90,59	9,35	19-20	55	199,30	27,22
8-9	65	235,53	36,15	20-21	25	90,59	9,35
9-10	65	235,53	36,15	21-22	25	90,59	9,35
10-11	65	235,53	36,15	22-23	25	90,59	9,35
11-12	35	126,83	13,82	23-24	25	90,59	9,35

Рисунок 3.5 - Диаграмма расхода

Рисунок 3.6 - Скоростная диаграмма механизма

Рисунок 3.7 - Нагрузочная диаграмма механизма

3.3 Предварительный выбор двигателя по мощности

На основании известной для насоса подачи (производительности) или суммарного напора определяется мощность на валу приводного двигателя, в соответствие с которой может быть осуществлен выбор мощности приводного двигателя. Для центробежного насоса, например, формула определения мощности на валу выводится из выражения энергии, сообщаемой движущейся воде в единицу времени. Пусть:

F - сечение водопровода, м²;

m - масса воды за секунду, кг/с;

v - скорость движения воды, м/с;

p - плотность воды, м³;

, - к. п. д. насоса и используемой передачи.

Известно, что:

.

Тогда выражение для энергии движущейся воды примет вид:

.

Откуда мощность на валу приводного двигателя:

. (3.9)

В (3.9) можно выделить группы величин, соответствующих подаче м³/с, и напору насоса, Па:

Q=F·v,

.

Из приведенных выражений видно, что:

,

.

Здесь с, с1, с2 - постоянные величины.

С некоторым приближением для центробежных насосов можно принять, что между мощностью на валу и скоростью существует зависимость, описанная вышеприведенными формулами.

Отметим, что вследствие наличия статического напора и конструктивных особенностей центробежных насосов, показатель степени в правой части (3.9) может отличаться.

Таким образом получим:

,

.

Основной характеристикой насосов, вентиляторов и компрессоров является зависимость развиваемого напора H от подачи этого механизма Q. Указанные зависимости представляются обычно в виде графиков Q (H) для различных скоростей механизма.

Выбираем насос Grundfos NB 50-200/210, с диаметром рабочего колеса 200 мм и следующими параметрами: напор - ; производительность - , КПД - . Зададимся коэффициент запасом по мощности: k_ЗАП=1,11

Мощность двигателя необходимая для нормальной работы турбомеханизма определяется:

.

Расчетная мощность электродвигателя с учетом запаса на пусковой момент определяется формулой:

Коэффициент запаса мощности на пусковой момент для различных мощностей электродвигателей приводится в нижеследующей таблице:

Таблица 3.5 - Коэффициент запаса мощности на пусковой момент.

Мощность Pэд, кВт	К зап. мощн.
до 0,5	1,5 - 2,0
от 0,5-1,0	1,4
1,0-2,0	1,3
2,0-5,0	1,2
Свыше 5,0	1,15

3.4 Выбор номинальной скорости и типоразмера двигателя

Двигатель выбираем исходя из условия:

.

Насосы Grundfos NB 50-200/210 поставляются со стандартными электродвигателями соответствующими стандартам IEC и DIN. На выбор предлагается комплектация электродвигателями "Standart” (энергоэффективность EFF2) и "Premium" (энергоэффективность EFF1) со скоростью вращения 2900 об/мин.

Исходя вышеуказанного к насосу Grundfos NB 50-200/210 выбираем электродвигатель серии "Standart” типа MMG 160L-Е мощностью 18,5 кВт. Т.к. технические параметры и параметры схемы замещения данного двигателя в каталогах не приводятся, то расчет будем вести по параметрам аналогичного двигателя серии 4А (4А160М2).

Технические параметры выбранного двигателя приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Технические параметры двигателя.

Мощность, кВт	Скольжение, %	КПД, %	Cos ц					Jд, кг•м2
18,5	2,3	88,5	0,92	2,2	1,4	12,5	7,5	0,053

Таблица 1.2 - Параметры схемы замещения двигателя.

х	R1	х1	R2	х2
4,5	0,049	0,092	0,022	0,12

Построим механическую характеристику двигателя.

Номинальный ток статора:

Полное фазное сопротивление:

Найдём абсолютные параметры двигателя:

Естественная механическая характеристика при s s_K выражается уточнённой формулой Клосса:

При s s_K используем формулу Чекунова:

где:

,

Изменяя значение S от 0 до S_К для уточненной формулы Клосса и от S_К до 1 для формулы Чеканова при помощи программы Mathcad строим график зависимости М = f (щ) (рис. 1.3).

Рисунок 3.8 - Естественная механическая характеристика двигателя.

3.5 Построение нагрузочной диаграммы электропривода

Так как момент и ток связаны линейной зависимостью, нагрузочную диаграмму строим для момента, который определяется из основного уравнения движения электропривода:

, (3.11)

где - статический момент на валу двигателя, Н·м,

- суммарный момент инерции электропривода, кгм^2,щ - угловая скорость двигателя, рад/с.

Динамический момент электропривода M_дин предварительно определяют приближенно, принимая линейный закон изменения скорости:

, (3.12)

где щ_у - установившаяся скорость двигателя на данном интервале скоростной диаграммы, рад/с,

t_{п, т} - время пуска (торможения), с.

Время пуска определяем по следующей формуле:

Для данного ЭП J_МЕХ - момент инерции рабочего колеса насоса.

гдеh - толщина стали рабочего колеса насоса (3 мм);

- плотность стали (7,8 т/м³);

R - радиус рабочего колеса насоса (105 мм);

k - коэффициент, учитывающий массу лопаток и других частей механизма.

Для определения М_{АД СР} необходимо определить площадь фигуры, ограниченной осью Х ?и кривой M = f (щ) на естественной механической характеристике, полученное значение разделить на щ _HOM.

Для определения площади разбиваем естественную механическую характеристику на несколько элементарных площадей и находим сумму площадей.

Найдем динамический момент:

.

Дальнейшее построение нагрузочной диаграммы ведем с учетом того, что при пуске электропривода его нагрузочная диаграмма описывается следующим выражением:

. (3.15)

По достижении электроприводом установившейся скорости, нагрузочная диаграмма описывается следующим выражением:

. (3.16)

На участках снижения скорости, уравнение движения электропривода имеет вид:

. (3.17)

Используя данные, полученные ранее для построения нагрузочной диаграммы механизма, построим нагрузочную диаграмму электропривода, которая представлена на рисунке 3.15.

Рисунок 3.9 - Нагрузочная диаграмма электропривода

3.6 Проверка выбранного электродвигателя по нагреву и перегрузочной способности

Произведём проверку выбранного электродвигателя по нагреву. Температура нагрева двигателя определяется по формуле:

, (3.18)

где

Q₀ - температура начального подогрева двигателя;

х_т - скорость нарастания температуры обмотки ЭД. Из справочника [6] определяем: х_т = 10,3 ⁰С/с;

t_П=3,36 с из подраздела 3.5 - время прямого пуска электродвигателя.

Температура начального подогрева двигателя определяется по формуле:

(3.19)

где:

И_с - температура среды насосной станции.

Исходя из условий работы установки температура воды в расходном резервуаре колеблется в пределах:

1. Зимой температура воды составляет 7 … 12 ⁰С;

2. Летом температура воды составляет 16 … 20 ⁰С.

Примем наиболее тяжелый режим работы и примем И_с = 20 ⁰С.

И_ном = 150 ⁰С - номинальная температура нагрева изоляции класса F;

Вычислим по формуле (3.19) температуру начального подогрева двигателя:

Вычислим температуру нагрева двигателя по формуле (3.18):

Если двигатель подходит по нагреву, то должно выполняться условие:

где: И_{доп -} температура, которую однократно может превысить двигатель за время прямого пуска. Для изоляции класса F допустимая температура равна И_доп = 200 ⁰С.

Условие выполняется, так как 129,1 ? 200 ⁰С, и следовательно двигатель по нагреву подходит.

Произведём проверку выбранного электродвигателя по перегрузочной способности.

Проведем проверку двигателя по перегрузочной способности с учетом возможного понижения напряжения сети на 10%.

Так как двигатель работает в непрерывном режиме, то максимальный момент нагрузки будет равен:

где из подраздела 3.3.

Условие выбора ЭД по перегрузочной способности:

М_{нагр. мах} < М_доп

52,22 <108,63.

Условие выполняется, двигатель по перегрузочной способности подходит.

4. Проектирование преобразователя электрической энергии

4.1 Определение возможных вариантов и обоснование выбора вида преобразователя электрической энергии

Преимущества использования частотных преобразователей.

Плавная регулировка скорости вращения электродвигателя позволяет в большинстве случаев отказаться от использования редукторов, дросселей и другой регулирующей аппаратуры. Это значительно упрощает механическую систему, повышает ее надежность и снижает эксплуатационные расходы.

При использовании частотного преобразователя пуск двигателя происходит плавно, без пусковых токов и ударов, что уменьшает нагрузку на двигатель и механику, увеличивает срок их жизни. Применение частотных преобразователей с обратной связью обеспечивает точное поддержание скорости вращения при переменной нагрузке, что во многих задачах позволяет значительно улучшить качество технологического процесса.

Для питающей сети преобразователь является чисто активной нагрузкой и потребляет ровно столько энергии, сколько требуется для выполнения механической работы (с учетом КПД преобразователя и двигателя).

Частотный преобразователь в комплекте с асинхронным электродвигателем может применяться для замены приводов постоянного тока. В этом случае значительно снижаются эксплуатационные затраты, повышается перегрузочная способность, а соответственно и надежность системы.

Применение регулируемого частотного электропривода позволяет сберегать энергию путем устранения непроизводительных затрат энергии в дроссельных заслонках, механических муфтах и других регулирующих устройствах. При этом экономия прямо пропорциональна непроизводительным затратам и может достигать 80%.

Основные возможности.

Частотный преобразователь позволяет регулировать выходную частоту в пределах от 0 до 400 Гц.

Разгон и торможение двигателя осуществляется плавно (по линейному закону), время разгона и торможения можно настраивать в пределах от 0.1 сек до 30 мин. Возможен плавный реверс двигателя.

При разгоне происходит автоматическое увеличение момента для компенсации инерционной нагрузки. Момент при пуске достигает 150% от номинального.

Частотные преобразователи обеспечивают полную электронную защиту преобразователя и двигателя от перегрузок по току, перегрева, утечки на землю и обрыва линий передачи.

Преобразователь позволяет отслеживать и отображать на цифровом пульте основные параметры системы - заданную скорость, выходную частоту, ток и напряжение двигателя, выходную мощность и момент, состояние дискретных входов, общее время работы преобразователя и т.д.

В зависимости от характера нагрузки можно выбрать подходящую вольт-частотную характеристику или создать свою собственную. Преобразователь позволяет экономить на непроизводительных затратах энергии, кроме того он имеет функцию энергосбережения. Эта функция позволяет при выполнении той же работы экономить еще от 5 до 30% электроэнергии путем поддержания электродвигателя в режиме оптимального КПД.

В режиме энергосбережения преобразователь автоматически отслеживает потребление тока, рассчитывает нагрузку и снижает выходное напряжение. Таким образом снижаются потери в обмотках двигателя и увеличивается его КПД. Режим энергосбережения хорошо подходит для следующих задач:

управление скоростью вращения вентиляторов и насосов;

управление оборудованием с переменной нагрузкой;

управление машинами, которые большую часть времени работают с малой нагрузкой.

Выбор преобразователя частоты будем производить исходя из следующих условий:

1. Напряжение выходное напряжение преобразователя U_пр 380В.

2. Номинальный ток преобразователя не менее:

3. Кратность максимального тока преобразователя 2.

4. Минимальная цена преобразователя.

5. Степень защиты корпуса - IP44.

6. Наличие макропрограммы для управления двумя насосами по следующей схеме: один основной, второй - резервный.

Этим условиям соответствует преобразователь частоты фирмы АВВ тип

ACS550-01-012A-4. Его параметры приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Технические параметры ACS550-01-038A-4

Pном, кВт	Iном, А	Uном, В
18500	38	380-480

Ток перегрузки 2I_Н в течение 2 секунд каждые 60 секунд.

4.2 Расчет параметров и выбор элементов силовой цепи

Для силовой цепи необходимо вычислить ёмкость С-фильтра (рис.4.1.).

Ток, протекающий по силовой цепи, описывается уравнением:

Отклонение напряжения в цепи постоянного тока от заданного не должно превышать 5%:

Рисунок 4.1 - Силовая цепь

Ток вычисляется по формуле:

(4.1),

где U_1H=220B; I_1H=34,4A; cosц=0,92

Подставляя значения в формулу (4.1), получим

Ёмкость вычисляем по формуле:

, (4.2),

Подставляя значения в формул (4.2), получим:

5. Проектирование системы автоматического управления

5.1 Выбор датчиков управляемых координат электропривода

В качестве датчика обратной связи по давлению выбираем датчик CS-PT100, основные технические данные которого приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Основные технические данные датчика давления CS - PT100.

Диапазон измерения	0 ~ 12.6 бар
Перегрузка давления	250%
Выходной сигнал	4 ~ 20 мА

Страница:

•  1 
•  2 
•  3 

дипломная работа "Система автоматизированного электропривода насоса насосной станции завода СИиТО" скачать

Подобные документы

• Проектирование автоматизированного электропривода насосного агрегата подачи воды

  Анализ технологического процесса промышленной установки и формулирование требований к автоматизированному электроприводу. Проектирование функциональной схемы, расчет нагрузок. Разработка преобразователя электрической энергии, автоматического управления.
  
  дипломная работа [3,1 M], добавлен 09.08.2014
  

• Электропривод и система автоматического управления насосной установки

  Проектирование автоматизированного электропривода насосной установки системы горячего водоснабжения. Анализ технологического процесса и работы оператора. Расчетная схема механической части электропривода. Выбор систем электропривода и автоматизации.
  
  дипломная работа [1,4 M], добавлен 16.05.2012
  

• Проектирование автоматизированного электропривода двухкоординатного модуля для производства интегральных микросхем

  Формулирование требований к автоматизированному электроприводу и системе автоматизации. Построение нагрузочной диаграммы механизма. Расчёт параметров и выбор элементов силовой цепи. Проектирование узла системы автоматизированного электропривода.
  
  дипломная работа [1,1 M], добавлен 30.04.2012
  

• Проектирование насосной станции

  Характеристика насосной станции и требования, предъявляемые к электроприводу насосов. Электросхема управления насосной установкой. Расчет электрической сети питающих кабелей. Охрана труда при эксплуатации насосной станции. Типы осветительных щитков.
  
  курсовая работа [114,4 K], добавлен 27.05.2009
  

• Проектирование насосной станции первого подъема

  Определение противопожарного запаса воды, диаметров всасывающих и напорных водоводов, потребного напора насосной станции, геометрически допустимой высоты всасывания, предварительной вертикальной схемы насосной станции. Составление плана насосной станции.
  
  курсовая работа [1,0 M], добавлен 23.06.2015
  

• Автоматизированный частотный электропривод насосной установки

  Расчет и выбор мощности насоса и электродвигателя, построение гидравлических характеристик насосной установки. Выбор силовых элементов автоматизированного частотного электропривода. Обоснование закона управления при частотном способе управления.
  
  курсовая работа [1,9 M], добавлен 15.03.2014
  

• Проектирование автоматизированного электропривода лебедки пассажирского лифта грузоподъемностью 630 кг

  Анализ технологического процесса. Предварительный расчет мощности и выбор двигателя, построение нагрузочной диаграммы. Проектирование электрической функциональной схемы электропривода и его наладка. Расчет экономических показателей данного проекта.
  
  дипломная работа [1,5 M], добавлен 17.06.2013
  

• Выбор центробежного насоса

  Расчет диаметров всасывающего и нагнетательного трубопроводов насосной станции. Уточнение диаметра труб и скорости движения воды. Построение характеристики сети и нахождение рабочей точки совместной работы насоса и сети. Расчет рабочих параметров насоса.
  
  курсовая работа [612,5 K], добавлен 28.04.2012
  

• Разработка электропривода

  Требования, предъявляемые к системе электропривода УЭЦН. Качественный выбор электрооборудования для насосной станции. Расчет мощности электродвигателя и выбор системы электропривода. Анализ динамических процессов в замкнутой системе электропривода.
  
  курсовая работа [369,8 K], добавлен 03.05.2015
  

• Электрооборудование и работа насосной установки с задвижкой

  Характеристика и назначение насосной установки. Выбор двигателей насоса, коммутационной и защитной аппаратуры. Расчет трансформатора цепи управления, предохранителей, автоматических выключателей, питающих кабелей. Описание работы схемы насосной установки.
  
  курсовая работа [108,8 K], добавлен 17.12.2015
  

Другие документы, подобные "Система автоматизированного электропривода насоса насосной станции завода СИиТО"

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам