Розрахунок характеристик електроприводу насоса Д5000-32-2 для 2-х способів регулювання продуктивності

Міністерство освіти Російської Федерації

Чуваська державний університет ім. І.М. Ульянова

Кафедра «Системи автоматизованого управління електроприводами"

Курсовий проект

з дисципліни

"Автоматизований електропривод промислових установок і технологічних комплексів"

На тему: Розрахунок характеристик електроприводу насоса Д5000-32-2 для 2-х способів регулювання продуктивності.

Перевірив:

професор, к.т.н.

Ларіонов Володимир Миколайович

Чебоксари, 2005

Зміст

1. Введення

2. Побудова характеристик насоса для швидкостей, відмінних від номінальної і характеристики магістралі

3. Розрахунок і вибір електродвигуна і асинхронно-вентильного каскаду

4. Розрахунок і побудова механічних характеристик.

5. Розрахунок втрат ковзання, втрат у асинхронно-вентильному каскаді і втрат в роторі

6. Розрахунок потужності, що споживається з мережі приводом при регулюванні засувкою і з допомогою асинхронно-вентильного каскаду.

7. Список використаної літератури

1. Введення

Сучасне промислове і сільськогосподарське виробництво, транспорт, комунальне господарство, сфери життєзабезпечення та побуту зв'язані з використанням різноманітних технологічних процесів, більшість з яких заснована на застосуванні робочих машин і механізмів, різноманітність і кількість яких величезна. Там, де застосовуються технологічні машини - використовується електропривод. Практично всі процеси, пов'язані з рухом з використанням механічної енергії, здійснюються електроприводам. Виняток становлять лише деякі транспортні та сільськогосподарські машини (автомобілі, трактори тощо), але й у цій області перспективи використання електроприводу стали цілком реальні.

Електропривод - головний споживач електричної енергії. У розвинених країнах на частку електроприводу припадає понад 60% усієї вироблюваної електроенергії.

Електроприводи різні за своїм технічним характеристикам: по потужності, швидкості обертання, конструктивного виконання та іншим. Потужність електроприводів прокатних станів, компресорів газоперекачувальних станцій та ряду інших унікальних машин доходить до декількох тисяч кіловат. Потужність електроприводів, що використовуються в різних приладах і пристроях автоматики, становить кілька ват. Діапазон потужності електроприводів дуже широкий. Також великий діапазон електроприводів за швидкістю обертання.

Більшість виробничих робочих машин і механізмів приводиться в рух електричними двигунами. Двигун разом з механічними пристроями (редуктори, трансмісії, кривошипно-шатунні механізми та ін), що служать для передачі руху робочого органу машини, а також з пристроями управління і контролю утворює електромеханічну систему, яка є енергетичною, кінематичної та кібернетичної (в сенсі управління) основою функціонування робочих машин.

У більш складних технологічних машинних комплексах (прокатні стани, екскаватори, обробні центри та інші), де є кілька робочих органів або технологічно пов'язаних робочих машин, використовується кілька електромеханічних систем (електроприводів), які в поєднанні з електричними системами розподілу електроенергії і загальною системою управління утворюють електромеханічний комплекс.

Великі швидкості обробки, висока і стабільна точність виконання технологічних операцій вимагали створення високодинамічних електроприводів з автоматичним управлінням. Прагнення знизити матеріальні та енергетичні витрати на виконання технологічних процесів зумовило необхідність технологічної та енергетичної оптимізації процесів; це завдання також лягла на електропривод. На етапі технічного розвитку машинного виробництва, досягнутого до кінця XX століття, електромеханічні комплекси і системи стали визначати технологічні можливості і технічний рівень робочих машин, механізмів і технологічних установок.

Створення сучасних електроприводів базується на використанні новітніх досягнень силовий електротехніки, механіки, автоматики, мікроелектроніки та комп'ютерної техніки. Це швидко розвиваються галузі науки, що визначає високу динамічність розвитку електромеханічних систем.

В останні роки з появою доступних технічних засобів для регулювання швидкості асинхронних двигунів для приводу насосів в системах тепло-і водопостачання стали застосовується регульовані електроприводи.

Електропривод насоса виконує дві функції: перетворить електричну енергію в механічну, необхідну для подачі води споживачу, і управляє роботою установки таким чином, щоб підтримувати необхідну величину натиску і витрати води.

Автоматизований електропривод отримав в останні десятиліття інтенсивне прискорений розвиток. Це визначається, в першу чергу, загальним прогресом машинобудування, спрямованим на інтенсифікацію виробничих процесів, їх автоматизацію, підвищення точнісних характеристик та інших технічних вимог, пов'язаних із забезпеченням стабільності якості виробленої продукції.

Другою обставиною, що зумовив розвиток електроприводу, стало поширення його застосування не тільки на промислове виробництво, але і на інші сфери, що визначають життєдіяльність людини: сільське господарство, транспорт, медицину, електропобутові установки та ін

Третя причина пов'язана з намітився переходом від екстенсивного розвитку виробництва електричної енергії до більш ефективного її використання. Підвищення ефективності електромеханічного використання електроенергії цілком залежить від вдосконалення електроприводу.

2. Побудова характеристик насоса для швидкостей, відмінних від номінальної і характеристики магістралі

Вихідні дані:

(Η, 4 *%)

Рис. 2.1 Характеристика насоса Д5000-32-2; n = 585об/мін.

Продуктивність і натиск знаходяться за формулами:

, . (2.1)

Номінальні значення продуктивності і напору відповідають значенням на характеристиці насоса для номінальної швидкості.

Розрахуємо характеристику насоса для різних швидкостей за формулами 2.1. Результати занесемо в таблицю 2.1.

Далі розрахуємо характеристику магістралі по двох точках. За завданням відомо, що статичний напір м. Також відомо, що при м ³ / год натиск м. Відомо, що:

(2.2)

Визначимо . З формули (2.2) маємо:

,

Отримаємо:

.

Тоді залежність для магістралі виражається формулою:

(2.3)

Використовуючи формулу (2.3) розрахуємо кілька точок магістралі. Результати занесемо в таблицю 2.2.

Таблиця 2.1.

Таблиця 2.2.

За точкам з таблиць 2.1 та 2.2 побудуємо сімейство характеристик насоса для швидкостей від ω _Н до 0,7 ω _Н і характеристику магістралі (рис.2.2).

Рис. 2.2 Характеристики насоса для швидкостей відмінних від номінальної і характеристика магістралі.

3. Розрахунок і вибір електродвигуна і перетворювача частоти

Потужність насоса в кВт в робочій точці визначається за формулою:

, (3.1)

де Н _Н [М], Q _H [М ³ / ч] і η _Н - Значення напору, продуктивності і ККД, що відповідають точці перетину характеристики насоса і магістралі;

- Щільність середовища, що перекачується в кг / м ^3;

Отримаємо:

кВт.

Двигун вибираємо виходячи з умови:

Виберемо двигун серії АК з фазним ротором:

Тип двигуна - АК12-42-10 УХЛ4

Синхронна частота обертання - n _Н = 600 об / хв.

Номінальна потужність - Р _Н = 200 кВт.

Напруга статора - U _1л = 6000 В.

Напруга ротора - Е _2к = 500 В.

Струм ротора - I ₂ = 270 А.

Номінальний ККД - h _H = 91,0%.

Номінальна ковзання 2.5%

Номінальний cosφ - cosφ _н = 0.79

Відношення максимального моменту до номінального - М _МАХ / М _{М IN} = 2.4.

Електродвигуни змінного струму з фазним ротором серії АК призначені для приводу механізмів:

- Потребують регулювання частоти обертання (стрічкових конвеєрів та ін);

- Які не вимагають регулювання частоти обертання, але з важкими умовами пуску (вентиляторів, цементних та вугільних млинів та ін)

Двигуни призначені для роботи від мережі змінного струму частотою 50 Гц, напругою 6000 В. Номінальний режим роботи - тривалий (S1). Пуск двигунів серії АК здійснюється як вручну за допомогою пускового реостата, так і автоматично за допомогою магнітної станції. Пусковий реостат або магнітна станція на вимогу замовника можуть поставлятися комплектно з електродвигуном.

Двигуни допускають два пуски поспіль з холодного стану і один пуск із гарячого стану. Конструктивне виконання двигунів за способом монтажу - горизонтальне, без фундаментної плити, з двома щитовими підшипниками, з одним вільним кінцем валу для з'єднання з робочим механізмом за допомогою напівмуфти. Двигуни виконуються захищеними. Призначені для роботи з самовентиляцією в закритих приміщеннях з нормальною навколишнім середовищем. Ізоляційні матеріали обмотки статора класу нагрівостійкості не нижче «В».

Обмотка статора має шість вивідних кінців, закріплених на чотирьох ізоляторах в коробці висновків. Схема з'єднання фаз - зірка.

Коробка висновків статора розташовується з правого боку, якщо дивитися на вільний кінець валу (ліве розташування вказується в замовленні). Двигуни допускають праве і ліве напрямку обертання. Зміна напрямку обертання здійснюється тільки зі стану спокою.

Структура умовного позначення:

АК - ХХ-ХХХ-Х-ХХХХ4

АК - асинхронний двигун з фазним ротором

ХХ - габарит електродвигуна

ХХХ - повна довжина сердечника статора в см

Х - число полюсів

ХХХХ - кліматичне виконання

4 - категорія розміщення

Ступінь захисту IP01

Форма виконання 1M1001

Спосіб охолодження IC01

Режим роботи S1

Двигуни можуть виготовлятися на напругу 3000В.

Регулювання швидкості двигуна здійснюється за допомогою асинхронно-вентильного каскаду.

Виходячи з потужності двигуна вибираємо АВК:

Тип АВК - ЕКА4-630-380.

Напруга живлення інвертора - U _ПІТ = 380 В.

Номінальна потужність перетворювача - Р _Н = 500 кВт.

Номінальний фазний струм ротора - I ₂ = 435 А.

Робоча лінійна напруга ротора - U _{2, Лін} = 680 В.

Електроприводи за схемою асинхронного вентильного каскаду ЕКА-4 призначені для регулювання швидкості асинхронних електродвигунів з фазним ротором потужністю до 5000 кВт з віддачею енергії ковзання в живильну мережу і можуть бути використані для зміни продуктивності насосних агрегатів і підтримки тиску на їх виході, а також у ряді інших виробничих механізмах з важкими умовами пуску і частковим діапазоном регулювання швидкості (дробарки, цементні обертові печі та ін.)

Електроприводи включають в себе тиристорного-діодний агрегат зі сглаживающим дроселем і согласующим трансформатором (при живленні агрегату від високовольтної мережі), блоки пускових резисторів, станцію управління пуском і зупинкою електродвигуна, а також шафа управління перемиканням на резервний електродвигун і шафа управління пуском резервного електродвигуна на пускових резисторах.

Передбачено місцеве управління електродвигунами зі станції управління та дистанційне - з пульта управління.

Електроприводи виконані із застосуванням мікроконтролерів серії PIC, мають зв'язок з ЕОМ вищого рівня по каналу RS 485.

Є захист роторних ланцюгів електродвигуна від перенапруг при зникненні напруги живлення з високою сторони.

Електроприводи дозволяють:

істотно економити електроенергію;

уникнути частих пусків електродвигуна при зміні подачі в замкнутих за рівнем системах регулювання водопостачання;

зменшити експлуатаційні та капітальні витрати в порівнянні з високовольтними частотно-регульованими електроприводами, оскільки встановлена ​​потужність електрообладнання визначається діапазоном регулювання швидкості.

4. Розрахунок і побудова механічних характеристик

Як відомо, потужність насоса визначається за формулою:

; (4.1)

Розділивши обидві частини цієї рівності на швидкість, отримаємо вирази для моменту в залежності від швидкості

; (4.2)

Використовуючи отриману формулу, побудуємо механічну характеристику насоса. Для цього знаходимо за графіком Q, H, η, що відповідають точці перетину характеристики магістралі і характеристики насоса для однієї з швидкостей.

кНм,

с ^-1, а

об / хв.

кНм,

с ^-1.

кНм,

с ^-1.

кНм,

с ^-1.

Таким чином, статична механічна характеристика насоса має вигляд, зображений на рис.4.1.

Визначимо показник ступеня k. Показник ступеня k визначимо за формулою:

(4.3)

Рис. 4.1 Статична механічна характеристика насоса

Знайдемо з рис. 2.2 продуктивності і напори, що відповідають двом різним швидкостям, наприклад і .

с ^-1;

м;

м ³ / год;

с ^-1;

м;

м ³ / год;

Підставляючи отримані значення у формулу (4.3) отримаємо:

.

Таким чином, статична механічна характеристика насоса приймає вигляд:

, Де

Нм.

Номінальний момент двигуна:

Нм.

Для побудови сімейства механічних характеристик двигуна при регулюванні швидкості за допомогою асинхронно-вентильного каскаду будемо використовувати такий вираз:

,

Де - Ковзання холостого ходу;

- Індуктивний опір розсіювання фази двигуна, наведеної до обмотки ротора;

Прінебрегая активним опором статора, тобто вважаючи , Що припустимо для двигунів великої потужності отримаємо:

, (4.4)

де . Тут - Активний опір ротора.

Знайдемо опір ротора за формулою:

Ом, де

кВт.

Знайдемо індуктивний опір розсіювання фази двигуна, наведеної до обмотки ротора з формули:

,

Оскільки М _max / М _н = 2.4, то Нм.

Тоді Ом.

Тоді .

Змінюючи у формулі (4.4) , Будуємо регулювальні характеристики при регулюванні за допомогою АВК.

Рис 4.2 Регулювальні характеристики при регулюванні за допомогою АВК та статична механічна характеристика насоса.

5. Розрахунок втрат ковзання, втрат у асинхронно-вентильному каскаді і втрат в роторі

Втрати в роторі визначаються з виразу

.

Відомо, що на лінійній ділянці механічної характеристики асинхронного двигуна, момент прямо пропорційний току ротора, тоді з виразу

випливає, що

.

У цьому випадку, формула для втратою в роторі приймає вигляд

.

Втрати ковзання визначаються як

Або

.

Втрати в асинхронно-вентильному каскаді визначаються як

.

Підставляючи в цей вираз і , Отримаємо

,

де .

Тоді втрати в АВК визначаться за формулою:

Рис 5.1 Втрати ковзання, втрати в роторі і в АВК

6. Розрахунок потужності, що споживається з мережі приводом при регулюванні засувкою і з допомогою асинхронно-вентильного каскаду

Потужність, споживана асинхронним двигуном з мережі, визначається як

.

Для побудови графіка залежності знаходимо на характеристиці насоса (рис.2.1) при номінальній швидкості двигуна натиск і ККД, відповідні заданій продуктивності і підставляємо в наведену вище формулу. Далі з рис.2.1 та 2.2 знаходимо натиск і ККД для роботи при інших швидкостях. Таким чином, отримаємо кілька точок шуканої залежності (табл.6.1), за якими і побудуємо графік залежності потужності, споживаної асинхронним двигуном від продуктивності насоса (рис.6.1).

При роботі з номінальною швидкістю отримаємо

, , , Тоді

кВт.

Таблиця 6.1.

Потужність, споживана з мережі, визначається як

.

При регулюванні швидкості за допомогою АВК частина енергії ковзання губиться в роторі і в АВК, а частина повертається назад у мережу.

Знайдемо потужність, що повертається в мережу:

.

Таким чином, з урахуванням віддачі частини енергії ковзання назад у мережу, потужність, споживана з мережі, визначиться як

.

Оскільки швидкість двигуна прямо пропорційна продуктивності

,

тоді підставивши це рівність у вираз для потужності, що споживається з мережі, отримаємо

.

Рис. 6.1. Залежність потужності, що споживається з мережі приводом при регулюванні засувкою і з допомогою асинхронно-вентильного каскаду, від продуктивності

Таким чином, при регулюванні продуктивності насоса за допомогою АВК є значний виграш електроенергії в порівнянні з регулюванням засувкою.

7. Список використаної літератури

1. Соколов М.М. «Автоматизований електропривод загальнопромислових механізмів» М.: Енергія, 1976 р.

2. Ключів В.І. "Електропривод і автоматизація загальнопромислових механізмів» М.: Енегрія, 1980 р.

3. Конспект лекцій.