Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности
СОДЕРЖАНИЕ: Построение характеристик насоса для скоростей, отличных от номинальной и характеристики магистрали. Выбор электродвигателя и асинхронно-вентильного каскада. Расчет и построение механических характеристик. Расчет мощности, потребляемой из сети приводом.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:
(,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 |
| Н, м | 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 Н до 0,7Н 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 Н - 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 – hH =91,0 %.
Номинальное скольжение 2.5%
Номинальный cos – cosн =0.79
Отношение максимального момента к номинальному – ММАХ / ММ IN =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
АК — асинхронный двигатель с фазным ротором
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 , , 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
кВт.
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.