Раціональний електропривод насосних станцій міського водопостачання

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РАЦІОНАЛЬНИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД НАСОСНИХ СТАНЦІЙ МІСЬКОГО ВОДОПОСТАЧАННЯ

Спеціальність: Електротехнічні комплекси та системи

КОРЕНЬКОВА ТЕТЯНА ВАЛЕРІЇВНА

Київ, 2001 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.

У зв'язку з загостренням проблеми економії електроенергії в Україні розробка та впровадження раціональних, що забезпечують мінімальне споживання електроенергії, способів управління технологічними процесами має в наш час важливе народногосподарське значення.

Системи водопостачання належать до найбільш енергоємних об'єктів міського комунального господарства, де основними споживачами електроенергії є насосні установки (НУ). Електропривод НУ в більшості випадків являє собою нерегульований привід на базі асинхронних та синхронних електродвигунів переважно з незмінною швидкістю обертання робочого колеса. Насосні установки міського водопроводу належать до споживачів групового характеру, де кілька насосних агрегатів (НА) працюють на загальну гідравлічну мережу з протитиском. У системі водопостачання має місце необхідність регулювання продуктивності насосних агрегатів через мінливий характер водоспоживання. Основним методом регулювання продуктивності НУ в даний час найчастіше залишається або дроселювання напору засувкою, або зміна числа працюючих одночасно насосів. Обидва способи регулювання направлені на розв'язання технологічних задач та практично не торкаються енергетичних режимів роботи НУ. В результаті від 5 до 15%, а в деяких випадках до 25-30% спожитої енергії втрачається через створення надлишкових напорів в мережі, втрат енергії при дроселюванні, наявність втрат та непродуктивних витрат води в мережі та в споживача.

Значний економічний ефект може бути досягнутий за рахунок регулювання швидкості обертання робочого колеса насоса, що дозволить досягти економії електроенергії до 30% і води до 20%.

У зв'язку з великою вартістю перетворюючих пристроїв для частотного управління і з врахуванням особливостей роботи НУ групового характеру доцільною схемою регульованого ЕП може бути асинхронний привід з фазовим управлінням напругою на затискачах статора. Система тиристорний регулятор напруги - асинхронний двигун (ТРН-АД) забезпечує регулювання одиночного агрегату в певних межах, його запуск, а також почерговий запуск всіх інших приводів, що працюють паралельно з регульованим (незалежно від того, яким машинним устаткуванням вони оснащені - синхронним чи асинхронним).

Основними перевагами такої системи ЕП є її простота, надійність, легкість автоматизації в загальній технологічній схемі. З врахуванням сказаного, при модернізації систем приводів міських водопровідних станцій варто орієнтуватися на оснащення їх одним пуск регулюючим агрегатом, серійно освоєним вітчизняною промисловістю. При цьому вартість тиристорних регуляторів у 2.5-3 рази нижча вартості відповідних перетворювачів частоти. Значний внесок в розгляд проблеми електроприводу турбомеханізмів внесли роботи відомих учених: Г.Б. Онищенко, М.Г. Юнькова, В.М. Чермалиха, І.Я. Браславського, Б.С. Лезнова, Я.Н. Гінзбурга, В.Б. Чебанова та ін.

Однак, слід зауважити, що ще недостатньо вивчені питання, що стосуються режимів роботи асинхронних двигунів з насосами на валу при роботі на значний протитиск в схемах групового електроприводу.

У зв'язку з цим дослідження та аналіз системи ТРН-АД як альтернативної схеми регульованого ЕП насосних установок в умовах паралельної роботи НА, виконані в даній роботі, є дуже важливими та актуальними в сучасних економічних умовах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні положення та результати роботи використані в держбюджетній НДР кафедри систем автоматичного управління та електроприводу Кременчуцького державного політехнічного університету за темою “Дослідження та розробка теорії енергозбереження та енергозберігаючого електромеханічного обладнання” (3Д/1999-АПП, №0199V004068) та внутрівузівській НДР за темою “Створення систем контролю та управління енергоспоживанням промислових, комунальних об'єктів і транспортних засобів” (46В/01-САУЕ).

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи - підвищення ефективності роботи насосних установок водопостачання за рахунок застосування раціональної системи електропривода, що враховує гідроенергетичні особливості паралельно працюючих агрегатів і вихідні технологічні параметри системи водопостачання.

Для досягнення мети поставлено та розв'язано наступні задачі:

- визначення діапазону регулювання швидкості двигуна насоса з паралельно працюючими насосними агрегатами з різними напірно-витратними характеристиками;

- визначення діапазону регулювання технологічних параметрів насосної установки групового характеру в залежності від зміни швидкості регульованого агрегату;

- обґрунтування можливості застосування системи ТРН-АД як перспективної системи, що забезпечує почерговий пуск і регулювання швидкості АД в заданих межах;

- розробка і дослідження системи ТРН-АД-насос для аналізу струмового завантаження асинхронного двигуна при регулюванні параметрів насосного агрегату;

- розробка і дослідження замкнутої системи управління режимами роботи насосної установки з приводом ТРН-АД та зворотними зв'язками за напором в диктуючи точці мережі та струму ротора з метою виключення перегріву двигуна;

- розробка системи регулювання параметрів насосної установки без використання технологічних датчиків тиску та витрати, що базується на датчиках вимірювання електричних величин;

- обґрунтування та розробка техніко-економічної оцінки доцільності застосування системи ТРН-АД для групових насосних установок водопостачання.

Методи досліджень.

Виконані дослідження базувались на фундаментальних положеннях: електродинаміки, теорії автоматизованого електроприводу, теорії автоматичного управління, апарату математичного аналізу, диференціального та інтегрального зачислення, стендових експериментальних дослідженнях та комп'ютерного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Дістала подальшого розвитку теорія аналізу режимів роботи насосних установок з паралельно працюючими агрегатами, що дозволила отримати аналітичні вирази для визначення діапазону регулювання частоти обертання регульованого насосу, що відрізняються від відомих врахуванням кількості паралельно включених насосних агрегатів, що працюють на гідродинамічну мережу з протитиском. Показано, що при паралельній роботі насосних агрегатів механічна характеристика регульованого насосу може бути апроксимована лінійною залежністю, що необхідно враховувати при побудові систем управління режимами роботи насосної установки;

2. Обґрунтована доцільність застосування системи ТРН-АД в насосних установках водопостачання з паралельно працюючими агрегатами, як раціональної системи, що дозволяє здійснити почерговий керований запуск насосних агрегатів, а також регулювання швидкості АД в обґрунтованих межах;

3. Вперше виконано аналіз струмового завантаження двигуна у системі ТРН-АД з урахуванням параметрів гідродинамічної мережі і статичного навантаження, яке створюється регульованим насосом з паралельно працюючими турбоагрегатами, що дозволило визначити умови роботи двигуна без перегріву;

4. Запропоновано двох параметричний метод регулювання продуктивності насоса: зміною частоти обертання валу двигуна й одночасною зміною положення кута відкриття засувки, що дозволяє виключити перегрів двигуна;

5. Розроблено принцип побудови системи автоматичного регулювання параметрами насосної установки без використання технологічних датчиків тиску і витрати, заснований на визначенні фактичного напору і продуктивності по параметрам енергоспоживання та апроксимованим характеристикам турбомеханізму;

6. Вперше розроблено метод техніко-економічної оцінки доцільності застосування системи ТРН-АД для групових насосних установок водопостачання, що враховує втрати потужності в двигуні та перетворюючих пристроях для розроблених систем та базового варіанту.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці рекомендацій та обґрунтуванні використання системи ТРН-АД як альтернативного приводу насосних установок, в розробці положень по вибору електрообладнання паралельно працюючих насосних агрегатів з метою використання в проектних рішеннях водопостачання міст та промислових об'єктів.

Результати роботи використані в проектах систем регульованого електроприводу АТ “Атом” для управління насосною установкою технологічного водопостачання Криворізького металургійного комбінату, в навчальному процесі Кременчуцького державного політехнічного університету при розробці стендового лабораторного обладнання за спеціальністю “Електромеханічні системи автоматизації та електропривод”. В дисертації наведені акти про впровадження результатів роботи.

Особистий внесок здобувача. В роботах (1, 2) виконано аналіз режимів роботи системи міського водопостачання протягом доби та розроблено імітаційну модель водопровідної мережі, в (3) - аналіз роботи НУ з дроселюванням напору засувкою та розрахунок спожитої потужності, в роботі (4) отримано залежність для визначення діапазону регулювання швидкості регульованого насосу при роботі НУ групового характеру з пологими напірно-витратними характеристиками, визначено межі регулювання продуктивності НА при зміні швидкості регульованого насосу та параметрів мережі, в (5) - залежність для визначення діапазону регулювання швидкості регульованого агрегату НУ групового характеру з напірно-витратними характеристиками, що мають максимум, в (8) отримано залежність втрат потужності в роторі двигуна від зміни швидкості та опору мережі, складено математичну модель замкнутої двох параметричної системи, в (9) розроблено електромеханічні моделі систем електроприводів турбомеханізмів, що дозволяють імітувати статичні характеристики НА.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертації доповідалися й обговорювалися на: конференції з міжнародною участю “Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія та практика” (м. Алушта, 1998 р., 1999 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми створення нових машин і технологій” (м. Кременчук, 1999 р., 2000 р., 2001 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 9 друкованих працях, з них 9 статей в виданнях, затверджених ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Містить 155 стор. машинописного основного тексту, 98 малюнків, 17 таблиць, перелік використаних джерел з 102 найменувань, додатки наведені на 49 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, її важливе значення для народного господарства України. Сформульована мета дисертації, визначені задачі та методи досліджень, наукова новизна та практичне значення отриманих результатів.

Перший розділ присвячено аналізу режимів роботи насосних станцій (НС) міського водопостачання, аналітичному огляду стану досліджень в області електроприводу турбомеханізмів. Виконаний аналіз технологічних схем водопровідних НС показав, що електропривод НУ міського водопостачання - груповий електропривод, де кілька паралельно включених НА працюють на спільну гідравлічну мережу з протитиском, причому величина статичного напору в мережі складає звичайно більше 40% повного напору. Аналіз характеру водопостачання протягом доби на прикладі м. Кременчука показав необхідність регулювання продуктивності НУ. Традиційні способи регулювання подачі НУ: метод дроселювання напору засувкою, зміною числа працюючих агрегатів, досить прості, однак невигідні з енергетичної точки зору, оскільки призводять до зниження ККД агрегату, непродуктивній витраті електроенергії, зниженню надійності роботи технологічного обладнання. Рішенням даної проблеми є регулювання продуктивності НУ зміною частоти обертання робочого колеса насосу за рахунок впровадження регульованого ЕП, що дозволить підвищити якість технологічного процесу та зменшити споживання електричної енергії.

Виконаний аналітичний огляд існуючих підходів в розв'язанні вибору системи регульованого електроприводу НУ показав, що при розрахунку необхідного діапазону регулювання швидкості не враховувались реальні особливості паралельно працюючих турбомеханізмів при різному протитиску мережі та різній кількості НА.

Аналіз робіт, виконаних в області електроприводу НУ, дозволив визначити мету і задачі дисертації, намітити шляхи розв'язання поставлених задач.

Другий розділ присвячено дослідженню режимів роботи паралельно включених турбомеханізмів і визначенню діапазону регулювання швидкості регульованого агрегату, що дозволило обґрунтувати вибрану систему регульованого ЕП.

Проведений аналіз роботи НУ групового характеру на спільну гідравлічну мережу з протитиском при регулюванні продуктивності зміною частоти обертання двигуна одного з насосів, дозволив визначити нижню крайню границю діапазону регулювання швидкості - відносну критичну швидкість обертання двигуна k, при якій продуктивність регульованого НА знижується до нуля. Так, у випадку роботи двох однакових насосів типу Д2000-100 з пологими характеристиками при статичному напорі Hс = 60 м. і гідродинамічному опорі (Rc = 220сек²), k = 0.96, при тому ж напорі, але при опорі в 3 рази меншому (Rc = 73сек²), k = 0.91.

Вперше отримано аналітичні вирази для визначення відносної критичної швидкості обертання двигуна регульованого агрегату:

- для двох однакових паралельно працюючих НА з пологими характеристиками:

Де:

- відносний гідродинамічний опір мережі.

Для двох різних паралельно працюючих НА:

Де:

Для двох однакових паралельно працюючих НА з характеристиками, що мають максимум:

Де:

А, В, С - коефіцієнти апроксимації, що залежать від конструктивних особливостей турбомеханізму і визначаються за паспортними характеристиками НА.

Як випливає з (2), при наявності на НС одного регульованого і кількох паралельно працюючих нерегульованих НА з рівними значеннями напору і внутрішнього опору діапазон регулювання частоти обертання регульованого агрегату помітно звужується. Так, для насосів типу Д2000-100 при,, величина відносної критичної швидкості регульованого агрегату k = 0.96, при і тих же параметрах мережі - k = 0.989, при - k = 0.995.

Показано, що шляхом використання схеми заміщення НУ, у якій нерегульовані і регульовані НА виділені в два еквівалентні ланцюги, можна вирішити ряд задач, пов'язаних з визначенням навантажувальних характеристик, діапазону зміни продуктивності при регулюванні швидкості НА. Розв'язання системи рівнянь, що описують залежність продуктивності НА від зміни швидкості обертання двигуна одного з них при роботі на мережу споживача:

Що дозволило отримати сімейство характеристик для визначення меж регулювання продуктивності насосів і НУ на всьому діапазоні регулювання швидкості регульованого агрегату при мінливих параметрах мережі. Так, при h = 0.4 діапазон регулювання швидкості складає 12%, а продуктивність НУ змінюється в межах 0.9-0.74 м³/с, при h = 0.6 діапазон регулювання складає 5%, а діапазон регулювання продуктивності НУ - 0.62-0.54 м³/с, при цьому продуктивність регульованого агрегату змінюється в межах 0.27-0 м³/с.

Виконаний аналіз показав, що при груповому ЕП насосів діапазон регулювання швидкості регульованого агрегату менше, ніж діапазон регулювання агрегату, що працює на такий же протитиск, але без паралельно працюючих турбомеханізмів. Дослідження показали, що регулювання швидкості обертання повинно здійснюватися униз від номінальної не більше ніж на 10-12%. При збільшенні кількості працюючих НА діапазон регулювання швидкості істотно скорочується. Проведений аналіз вимог до ЕП насосів показав доцільність застосування схеми асинхронного приводу з фазовим управлінням напругою на затискачах статора, що, відрізняючись простотою, надійністю, низькою вартістю в порівнянні з частотне управляючими приводами, забезпечить регулювання одиночного агрегату в необхідних межах, його запуск, а також почерговий запуск всіх інших приводів, що працюють паралельно з регульованим.

У третьому розділі проведено дослідження спільної роботи системи ТРН-АД-насос.

Виконаний аналіз роботи НУ з паралельно працюючими агрегатами дозволив визначити залежність статичного моменту на валу регульованого насоса від швидкості його обертання. Показано, що на характер розглянутої залежності істотним чином впливають параметри мережі, на яку працює турбомеханізм, а також наявність паралельно працюючих агрегатів.

Аналіз отриманих результатів показав, що залежність статичного моменту на валу насоса від швидкості при наявності паралельно включених насосних агрегатів не є “вентиляторними”. Механічна характеристика регульованого насосу може бути апроксимована лінійною залежністю виду:

Для визначення струмового завантаження двигуна в системі ТРН-АД виконано аналіз енергетичних процесів в ЕП при зміні частоти обертання регульованого НА зміною фазної напруги синусоїдальної форми, що підводиться до статора двигуна. Спільне розв'язання рівнянь, що пов'язують статичні характеристики АД при регулюванні швидкості зміною напруги живлення і статичні характеристики регульованого по швидкості насоса, дозволило отримати закон регулювання фазної напруги статора в залежності від статичного навантаження на валу і швидкості обертання двигуна:

При цьому величина втрат в міді ротора:

В роботі виконана оцінка навантаження ротора двигуна по струму, для чого величина втрат потужності в міді ротора при зміні фазної напруги статора і зміні навантаження порівнювалася з номінальною. Умові відповідають ділянки характеристик, що лежать нижче значення, що відповідає втратам потужності в міді ротора при номінальній швидкості обертання з номінальним навантаженням на валу двигуна.

На цих ділянках регулювання швидкості зміною фазної напруги статора при зміні статичного навантаження на валу від до і нижче не викликає перегріву двигуна. Як видно, з ростом відносного значення статичного напору і, як наслідок, зменшенням діапазону регулювання швидкості, більша частина характеристик знаходиться нижче припустимого значення. Так, при, величина втрат у роторі дозволяє працювати на всьому діапазоні зміни швидкості.

В роботі виконано уточнення отриманих результатів з огляду на те, що напруга живлення при регулюванні швидкості двигуна відрізняється від синусоїдального через наявність вищих гармонік. У зв'язку з цим було проведене дослідження струмового завантаження двигуна з використанням повної математичної моделі системи ТРН-АД у фазних координатах зі статичним навантаженням на валу виду (6) і з урахуванням гармонійного складу струму і напруги. Отримані результати показали, що можливо аналізувати статичні режими системи ТРН-АД в припущенні синусоїдальності струму і напруги.

Для виключення перегріву двигуна у роботі запропоновано двох параметричний метод регулювання продуктивності НА: шляхом зміни частоти обертання двигуна насоса та одночасним регулюванням положення засувки, установленої на виході насосного агрегату.

Аналіз втрат в міді ротора з врахуванням виразу (1) показав, що зі збільшенням опору мережі, що включає опір трубопроводу і опір регулювальної засувки, ділянки з перегрівом двигуна скорочуються.

В роботі отримано залежність зміни гідродинамічного опору мережі від частоти обертання двигуна, протитиску та ступеня завантаження двигуна:

Що дозволяє розв'язати ряд задач, пов'язаних з побудовою систем регулювання параметрів НУ з впливом на мережу трубопроводу. Аналіз залежності у всьому діапазоні регулювання швидкості обертання двигуна дозволив зробити висновок, що з метою підтримання втрат в роторі на рівні номінальних на ділянках, де можливий перегрів двигуна, опір засувки. При цьому зі збільшенням відносного значення протитиску необхідний діапазон регулювання величини опору засувки знижується.

У четвертому розділі виконано дослідження режимів роботи НУ в замкнутій системі регулювання з приводом ТРН-АД.

Аналіз існуючих схемних рішень при побудові систем автоматичного управління (САУ) режимами роботи НУ, дозволив сформулювати основні принципи побудови САУ водопровідної НУ групового характеру. Розроблено функціональну схему замкнутої САУ насосної установки з приводом ТРН-АД (суцільні лінії), що стабілізує напір у диктуючій точці міської мережі на заданому рівні. При цьому диктуючою (контрольною) обрана точка, забезпечення нормального напору в якій гарантує підтримку необхідного напору у споживача. В роботі виконані дослідження статичних та динамічних процесів замкнутої одне параметричної системи ТРН-АД-НУ з використанням повної математичної моделі системи ТРН-АД у фазних координатах з врахуванням не синусоїдальності струму та напруги.

Математичний опис роботи НУ на мережу з протитиском отримано рішенням системи (5):

- продуктивність нерегульованого насоса:

- продуктивність регульованого насоса:

- сумарна продуктивність НУ:

- напір на виході НУ:

Де коефіцієнт:

Вільний напір у контрольній точці мережі споживача:

Аналіз отриманих результатів дозволив визначити границі регулювання швидкості двигуна без перегріву: при протитиску це ділянки струму статора в інтервалі швидкостей та ділянки струму ротора в інтервалі швидкостей, з ростом величини протитиску мережі ділянки з перегрівом скорочуються, і при величина струмів двигуна не перевищує номінальну та дозволяє працювати на усьому діапазоні регулювання швидкості.

З метою виключення перегріву двигуна розроблена функціональна схема замкнутої двох параметричної системи ТРН-АД-НУ: з зворотним зв'язком по напору в диктуючій точці міської мережі і по струму ротора з відсічкою. При цьому в рівняннях (10)-(13) відносне значення опору мережі:

Де:

Rz - опір регулювальної засувки.

Вільний напір у контрольній точці:

Аналіз отриманих залежностей струму статора і струму ротора від швидкості при м, в одно і двох параметричній системах показав, що введення зворотного зв'язку по струму з відсічкою виключає перевищення струмів двигуна вище номінальних.

Зважаючи на те, що традиційні методи побудови САУ режимами НУ засновані на використанні технологічних датчиків витрати і тиску, які є дуже ненадійними, що потребують постійного огляду і перевірки, у роботі запропоновано принцип побудови системи автоматичного регулювання параметрами НУ, що дозволяє керувати режимами роботи НА на базі датчиків вимірювання електричних величин: струму статора, напруги, частоти і датчика потужності на затискачах АД. Розроблена система включає в себе три суматора, блок визначення втрат двигуна і обчислювальний блок для визначення фактичних значень параметрів НУ.

Блок визначення втрат призначений для обчислення втрат потужності двигуна за поточним значенням параметрів, що надходять з датчиків напруги, струму і частоти. Знаючи потужність на валу двигуна, конструктивні й енергетичні параметри насоса і параметри мережі споживача, на яку цей насос працює, за допомогою обчислювального блоку визначаються фактичні значення тиску і продуктивності на виході НУ. Якщо фактичне значення напору або подачі відрізняється від заданого, сигнал зворотного зв'язку надходить на управляючий вхід перетворювача регульованого ЕП для зміни швидкості обертання двигуна.

Така система контролю і регулювання режимами роботи НУ підвищує надійність і якість регулювання параметрів, а також спричиняє додаткову економію засобів на ремонт, догляд і придбання технологічного устаткування.

П'ятий розділ присвячений експериментальному дослідженню режимів роботи ЕП турбомеханізмів по системі ТРН-АД з використанням електромеханічної моделі та техніко-економічному обґрунтуванню доцільності застосування системи ТРН-АД як альтернативного варіанту регульованого ЕП.

Розроблені електромеханічні моделі системи приводу ТРН-АД, що дозволили імітувати статичні характеристики НА. Базою для таких моделей є машини постійного струму (МПС) з різними системами збудження. Так, генератори незалежного збудження дають можливість одержати лінійні навантажувальні характеристики, аналогічні характеристикам, створюваним при роботі турбомашини з кількома працюючими паралельно агрегатами, генератори змішаного збудження, а також генератори в режимі самозбудження - характеристики, близькі до вентиляторних. Аналіз отриманих експериментальних кривих підтверджує правильність досліджень струмового завантаження АД в розімкнутій системі ТРН-АД-насос і ТРН-АД-НУ, проведених шляхом математичного моделювання і дозволяючи визначити ділянки роботи двигуна без перегріву, а також підтвердив можливість застосування системи ТРН-АД як регульованого електроприводу НУ водопостачання групового характеру.

Уперше розроблений метод техніко-економічної оцінки доцільності застосування системи ТРН-АД для водопровідних НУ з паралельно працюючими турбомеханізмами з урахуванням втрат потужності в двигуні та перетворюючих пристроях для розроблюваної системи ЕП і базового варіанту.

Аналіз споживаної НА енергії при різних способах регулювання продуктивності (східчастому регулюванні, дроселюванні, регульованому ЕП) показав, що для випадку, коли водоспоживання змінюється в часі, мінімальну величину споживаної за рік енергії дає метод регулювання подачі зміною частоти обертання робочого колеса насоса.

У роботі проведено аналіз втрат потужності, що включає втрати в двигуні і втрати в перетворювальному пристрої, для двох варіантів регульованого ЕП: системи ТРН-АД і системи ТПЧ-АД. При цьому враховувалися два фактори, характерні для частотно-регульованого ЕП: наявність значних втрат енергії в перетворювальних пристроях (до 5%) в області швидкостей, близьких до номінальної, і вартість устаткування, що перевищує в 2.5-3 рази вартість устаткування для ТРН. Робота електропривода від ТРН вигідна тоді, коли сумарні втрати при використанні ТРН менше, ніж при використанні ТПЧ.

Аналіз отриманих графіків зміни сумарних втрат потужності від швидкості при різних способах управління, дозволив визначити швидкість, при якій ці умови виконуються. Так, при протитиску h = 0.7, k = 0.94 і різних коефіцієнтах завантаження машини.

На підставі аналізу процесів, що відбуваються в електромеханічних системах, у роботі визначений закон частотного управління в АД, що враховує параметри гідродинамічної мережі, кількість паралельно працюючих насосів, величину відносної критичної швидкості обертання, ступінь завантаження двигуна:

ВИСНОВКИ

1. Аналіз насосних установок міського водопостачання дозволив визначити, що це споживачі групового характеру з асинхронним чи асинхронно-синхронним приводом з незмінною швидкістю обертання робочого колеса, де кілька агрегатів працюють на загальну мережу з протитиском, що складає звичайно більше 40% повного напору. Традиційні методи регулювання продуктивності насосних агрегатів направлені на розв'язання технологічних задач та практично не торкаються енергетичних режимів роботи насосних установок. Встановлено, що істотний економічний ефект може бути отриманий за рахунок впровадження регульованого електроприводу, що дозволить не тільки підвищити якість технологічного процесу, але й зменшити споживання електричної енергії. Існуючі підходи стосовно проблеми електроприводу насосних установок не враховують реальні особливості паралельної роботи турбомеханізмів при різних параметрах мережі з протитиском. У водопровідних насосних установках групового характеру раціональною схемою регульованого електропривода є система ТРН-АД, що забезпечує регулювання одиночного агрегату, його запуск, а також почерговий запуск всіх інших приводів, що працюють паралельно з регульованим.

2. Аналіз статичних характеристик групового електропривода насосів показав, що реальний технологічний діапазон регулювання швидкості регульованого агрегату складає не більше 10-12% униз від максимальної, а зі збільшенням числа працюючих нерегульованих агрегатів - 3-5%. У роботі вперше отримані аналітичні залежності для визначення діапазону регулювання швидкості регульованого насоса з урахуванням числа паралельно працюючих насосних агрегатів з різними напірно-витратними характеристиками, сімейства кривих, що дозволяють визначити межі регулювання продуктивності насосної установки в залежності від зміни частоти обертання двигуна регульованого насоса.

3. У роботі показано, що залежність моменту на валу двигуна регульованого насоса від швидкості при паралельній роботі агрегатів носить лінійний характер. З урахуванням особливостей роботи системи ТРН-АД визначені реальні ділянки ефективної роботи, що виключають перегрів АД. При цьому зі збільшенням параметрів гідродинамічної мережі частка таких ділянок помітно зростає, і при h = 0.7, 0.8 величина втрат потужності в міді ротора дозволяє працювати на всьому діапазоні зміни швидкості, що підтвердило можливість використання системи ТРН-АД як регульованого електроприводу.

4. Для виключення перегріву двигуна при величинах протитиску h = 0.5, 0.6 запропоновано метод регулювання продуктивності насосних агрегатів зміною частоти обертання робочого колеса та одночасним регулюванням засувкою на виході насоса. Сформульовано вимоги і принципи побудови САР технологічними параметрами насосних установок з урахуванням виявлених особливостей роботи електропривода в системі ТРН-АД. Виконані дослідження статичних і динамічних процесів, що протікають у замкнутій САР параметрами насосних установок, з використанням повної математичної моделі системи ТРН-АД у фазних координатах з урахуванням не синусоїдальності струму і напруги, показали, що можлива побудова замкнутих САР, як одне параметричних (за напором в диктуючи точці мережі), так і двох параметричних (за напором в диктуючи точці мережі і струму ротора з відсічкою з метою виключення перегріву двигуна).

5. Запропоновано принцип побудови систем управління режимами роботи насосних станцій, що виключають установку технологічних датчиків напору і витрати, та дозволяють визначати технологічні параметри по параметрам споживання електроенергії насосних агрегатів та апроксимованим характеристикам турбомеханізмів.

6. Розроблено електромеханічні моделі систем електропривода турбомеханізмів, що дозволяють імітувати статичні характеристики насосних агрегатів, і використовувати їх для експериментального дослідження роботи асинхронних двигунів в системі з ТРН з урахуванням характеру залежності моменту на валу двигуна регульованого агрегату від швидкості при паралельній роботі насосів.

7. Розроблено метод техніко-економічної оцінки ефективності застосування системи ТРН-АД у насосних установках групового характеру з урахуванням втрат потужності в двигуні та перетворюючих пристроях. Показано, що економічний ефект від використання системи ТРН-АД досягається за рахунок зниження потужності, споживаної НА, у порівнянні із системами нерегульованого електропривода, а також за рахунок менших втрат у перетворюючих пристроях в області швидкостей, близьких до номінальної, і меншої вартості самого ТРН у порівнянні з частотно-регульованим електроприводом. Розрахований строк окупності від впровадження системи ТРН-АД склав 1.7 року.

ПУБЛІКАЦІЇ

1. Смирнитский Б.В., Коренькова Т.В. К вопросу создания АСУ водопотреблением горсети // “Проблемы создания новых машин и технологий”, Научные труды Кременчугского государственного политехнического института, 1998, вып. 1. - С. 140-144.

2. Смирнитский Б.В., Коренькова Т.В. Имитационная модель системы водоснабжения // “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”, вестник Харьковского государственного политехнического университета, 1998. - С. 233-234.

3. Коренькова Т.В., Черный А.П. Об определении эффективности энергосбережения в системах водоснабжения // “Проблемы создания новых машин и технологий”, Научные труды Кременчугского государственного политехнического института, 1999, вып. 1. - С. 186-189.

4. Родькин Д.И., Коренькова Т.В., Басараб О.В. Рациональные системы электропривода насосных станций городского водоснабжения // “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”, вестник Харьковского государственного политехнического университета, 1999, вып. 61. - С. 165-169.

5. Коренькова Т.В., Гладырь А.И. Определение диапазона регулирования скорости параллельно работающих насосных агрегатов // “Проблемы создания новых машин и технологий”, Научные труды Кременчугского государственного политехнического института, 1999, вып. 2. - С. 43-46.

6. Коренькова Т.В. Определение степени загрузки двигателей параллельно работающих насосов при регулировании скорости изменением питающего напряжения // “Проблемы создания новых машин и технологий”, Научные труды Кременчугского государственного политехнического института, 1999, вып. 2. - С. 60-63. електропривод гідравлічний струмовий

7. Коренькова Т.В. Работа насосной установки в режиме стабилизации напора в водопроводной сети // “Проблемы создания новых машин и технологий”, Научные труды Кременчугского государственного политехнического университета, 2000, вып. 2. - С. 45-50.

8. Коренькова Т.В., Черный А.П. Режимы работы насосной установки с приводом тиристорный регулятор напряжения - асинхронный двигатель в замкнутой двухпараметрической системе // “Проблемы создания новых машин и технологий”, Научные труды Кременчугского государственного политехнического университета, 2000, вып. 2. - С. 51-55.

9. Коренькова Т.В., Гладырь А.И. Электромеханические модели характеристик турбомеханизмов // “Проблемы создания новых машин и технологий”, Научные труды Кременчугского государственного политехнического университета, 2001, вып. 1.

Размещено на Allbest.ru