Энергосбережение является одной из важных, приоритетных задач технической политики нашего государства. В настоящее время более 60% всей электроэнергии электростанций потребляют электроприводы, что позволяет сделать вывод о высокой актуальности задач энергосбережения при их эксплуатации. На рубеже двадцать первого века достигнуты значительные успехи в силовой электронике: освоено промышленное производство мощных транзисторов IGBT и силовых модулей на их основеи непосредственным микропроцессорным управлением. Достигнут колоссальный прогресс в области информационно-вычислительной техники, микропроцессорных систем управления и контроля, а также в углублении теории электропривода переменного тока. Это обуславливает устойчивую тенденцию развития и применения систем частотного управления, особенно систем электропривода переменного тока со скалярным и векторным управлением. Такие электроприводы не имеют ограничений по максимальной скорости вращения и предельной мощности, бесконтактны и имеют минимальные эксплуатационные затраты. Целенаправленное применение таких электроприводов позволяет решить актуальные сложнейшие задачи производства, включая задачи энерго и электросбережения.
Современные преобразователи частоты, используя принцип широтно – импульсной модуляции, обеспечивают формирование регулируемого трехфазного синусоидального напряжения высокого качества, что позволяет существенно снизить потери электроэнергии в статорных обмотках двигателя при питании их от преобразователя частоты. В сравнении другими двигателями асинхронный двигатель имеет следующие основные преимущества: простота конструкции, малая инерционность ротора, более высокая надежность работы (особенно с короткозамкнутым ротором), низкая стоимость и простота монтажа и эксплуатации. Все это, в сочетании с высокими регулировочными и динамическими показателями превращают частотный электропривод в доминирующий тип регулируемого электропривода массового применения.
Из множества областей, в которых требуется решать технологические вопросы, связанные с регулированием частоты вращения различных производственных механизмов и устройств, можно выделить наиболее важные и эффективные направления: более широкое внедрение электроприводов с частотным регулированием насосов асинхронных двигателей питательных насосов для систем водоснабжения, водоотведения и отопления; внедрение частотного электропривода для регулирования скорости вращения вентиляторов, нагнетателей, воздуходувок и компрессоров различных механизмов.
Разработка преобразователя частоты для управления асинхронного двигателя
... или непосредственный преобразователь частоты: Так как ... системы управления используемой в проекте частоту опорного сигнала, без внесения большого количества сервисных функций, можно увеличить до 50кГц, при приемлемой точности воспроизведения выходного синусоидального сигнала. В данном дипломном ... частоту вращения магнитного поля относительно частоты вращающегося ротора. n' = n0 — n (1.3) Тогда частота ...
В названных областях по данным статистики приблизительно 25% вырабатываемой электроэнергии потребляют приводы центробежных насосов и вентиляторов различных объектах. Применение электропривода с частотным преобразователем открывает новую технологию энергосбережения, в которой экономится не только электроэнергия, но и сберегается тепловая энергия и сокращается расход воды за счет исключения утечек ее, так как отсутствует превышение давления в магистрали в процессе регулирования расхода. Частотный асинхронный электропривод насосов позволяет в значительной степени избежать аварийных ситуаций за счет предотвращения гидравлических ударов, возникающих при изменении режимов работы и пуске насосной системы по сравнению с нерегулируемым электроприводом. Поэтому по сравнению с другими электроприводами, предпочтение следует отдать электроприводу на основе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при питании статорных обмоток от преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока.
Целью данной работы является решение задачи энерго и электросбережения электропривода питательного насоса К150-125-315 водогрейного котла путем модернизации электропривода.
1 Состояние перспективы развития электроприводов с частотным регулированием
Электропривод обеспечивает движение различных рабочих механизмов и определяет перспективу развития большинства отраслей, хозяйственной деятельности человечества. Применение частотных преобразователей на базе силовыхIGBT транзисторов повышает энергосбережение, которое в значительной мере определяется эффективностью электропривода. Разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем привода на базе ПЧ является приоритетным направлением развития современной техники. Направление развития автоматизированного электропривода сместилась в сторону частотных электроприводов переменного тока. В условиях повышенных температур, влажности, запыленности, взрыво и пожароопасности, отсутствия возможности для обслуживания, необходимости повышенных и высоких частот применение асинхронного короткозамкнутого двигателя не имеет альтернатив. Частотные электроприводы с асинхронным двигателем не имеют ограничений по максимальной скорости вращения и предельной мощности, бесконтактны и имеют минимальные эксплуатационные затраты. Как составная часть автоматизированного электропривода, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором выигрывает по всем критериям сопоставления. В большинстве практических приложений преобразователь частоты является компонентом автоматизированной системы и выполняет управляющую, информационную и вспомогательную функции. Современные преобразователи частоты имеют встроенные регуляторы (ПИД–регуляторы), обрабатывают десятки входных и выходных сигналов, имеют развитые средства диагностики и защиты, интерфейсы, формируют предупредительные и аварийные сообщения. Помимо системного программного обеспечения и стандартного набора прикладных программ, многие преобразователи частоты предоставляют возможность пользователям разрабатывать собственные прикладные программы и использовать их наряду со стандартными макросами.
В последние десятилетия остро встала проблема энергосбережения в промышленности. Следствием этого стало внедрение регулируемого электропривода с короткозамкнутым ротором в традиционные отрасли промышленности, где применялся нерегулируемый электропривод. Опыт разных стран подтверждает высокую эффективность регулируемого электропривода в системах водоснабжения, теплоснабжения, вентиляции и отопления зданий, а также привода металлорежущих станков, механизмы металлургического производства и т.п. К примеру, в водоснабжении экономия электроэнергии достигает до 50%, а экономия воды и тепла до 15% и более. Исключаются гидравлические удары в системах водоснабжения, обеспечивается удобная диспетчеризация и учет энергоносителей. Срок окупаемости внедрения регулируемого асинхронного электропривода в систему водоснабжения составляет не больше года. В связи с этим даже появился термин «энергосберегающий регулируемый электропривод». За счет перехода от неэкономичного дроссельного регулирования подачи воды в системах теплоснабжения, к регулированию с помощью электроприводов с изменяемой частотой вращения, удается достичь снижения потерь воды и электроэнергии и повысить энергоэффективность производства. Были произведены исследования нагрузки электроприводов насосных и тягодутьевых агрегатов в реальных условиях эксплуатации. Выделим факторы, отвечающие за оптимальные энергетические показатели привода и правильный его выбор по мощности: — при работе асинхронных машин от преобразователей частоты их КПД снижается на 2-3 процента, а коэффициент мощности сosφ до 5%. Для того чтобы улучшить электромагнитную совместимость преобразователя частоты (ПЧ) с сетью, применяют ряд перспективных решений. Например, применение фильтра на входе неуправляемого выпрямителя. Это позволяет улучшить состав питающего напряжения, коэффициент мощности системы и гармонический состав тока, потребляемого из сети.
Система автоматизации насосной установки станции подкачки воды ...
... системе автоматизации Проектируемая установка входит в состав насосной станции, которая обеспечивает подачу холодной воды в водопроводную сеть многофункционального комплекса. Совместно с системой контроля и управления СУ, коммутационной аппаратурой, преобразователем частоты ... выполнить тот же объем работ при меньших затратах энергии. Электропривод, является энергосиловой основой современного ...
2 Характеристика системы пикового теплоснабжения
Теплоснабжение производственных, жилых помещений и различных объектов в условиях рыночных отношений (как торговля продовольствием и другими товарами) приобретает важнейшее значение. Теплоснабжение наряду с энергетикой в целом выдвигается на первый план и является фактором безопасности страны. В большинстве регионов страны теплоснабжение нуждается в обновлении и модернизации. Это не только экономический кризис, не устаревшие виды тепловых источников, не обветшалость труб магистралей передачи тепловой энергии, а причина кроется в естественном монополизме организаций энергоснабжения, в отсутствии законов регулирования юридических отношений между организациями энергоснабжения и потребителями.
Понижение и изменение температуры в подающей магистрали теплосети, её отключение приводит к нарушению технологических процессов на заводах и предприятиях, а также серьезно отражается на качестве жизни населения. Однако, централизованное горячее водоснабжение от ТЭЦ может быть месяцами отключено. Это происходит несмотря то, что при комбинированной выработке электричества и теплоты, отключить централизованное горячее водоснабжение в открытой системе теплоснабжения в огромном городе приводит катастрофическому уменьшению выработки электроэнергии. Тем не менее, наши энергетические компании спокойно идут на такой огромный перерасход топлива, так как причина здесь не экономическая и не техническая, а политическая. Она заключается в борьбе с региональными властями, в навязывании своих условий при заключении договоров на теплоснабжение. Энергетические компании устанавливают тарифы, порядок учета и другие, отражаемые в договорах условия теплоснабжения.
Использование поршневых насосов в пожарной службе
... . В пожарном насосе будет создаваться вакуум, он постепенно заполняется водой. При поступлении воды в вакуумный насос он отключается. За каждую половину оборота эксцентрика поршни совершают ход, равный 2е. Тогда подача насоса, м ...
В настоящее время в тепловых сетях широко практикуется недостаточный нагрев сетевой воды до температуры, соответствующей температурному графику. Недостаточный нагрев воды, применяемый вроде бы с целью экономии топлива, на самом деле приводит к перерасходу топлива, потому что возникает разбаланс системы теплоснабжения и в конечном итоге, и сама тепловая электростанция начинает перерасходовать топливо. Неотъемлемой частью систем теплоснабжения являются источники пиковой тепловой мощности, в качестве которых используются водогрейные котлы.
Рисунок 2.1-Система пикового теплоснабжения: 1-водогрейный котел;
2-резервный насос; 3-основные сетевые питательные насосы; 4 подпиточные насосы
В условиях рыночной экономики при значительно возросшей стоимости топлива необходимо пересмотреть подход к обеспечению пиковой тепловой нагрузки систем теплоснабжения в сторону повышения требований к надежности и экономичности.
На рис. 2.1схема присоединения питательных трубопроводов котельной к водогрейным котлам 1 приведена. В котельных с водогрейными котлами для перемещения воды в них и в системе трубопровода применяют как минимум два сетевых питательных насоса с электроприводами. Напор и производительность насосов выбираются с таким расчетом, чтобы при выходе из строя самого мощного насоса, оставшийся мог обеспечить нормальную работу системы теплоснабжения (табл. 2.1).
Работа системы теплоснабжения характеризуется неравномерным потреблением воды и тепла в зависимости от погодных условий и времени года. Так как насосы оснащены нерегулируемым электроприводом, то для регулирования подачи воды применяют дросселирование, т.е. регулирование осуществляют открытием задвижки на напорной линии теплоснабжения. Такой способ регулирования приводит к существенному росту давления (напору) в системе, а это обуславливает утечки воды и неблагоприятно сказывается на работе насоса , оборудования и всей сети водоснабжения.
Таблица 2.1Базовая характеристика сетевого насоса
Параметры насо Допуст. кави- Частота Типоразмер са Мощность
тац. запас, м, не вращ., насоса Подача, Напор, двиг-ля, кВт
более (об/мин)
м3/ч м К150-125-315 290 35 4,5 1450 37 Рисунок 2.2 – Характеристика насоса К-150-125-315 при частоте вращения
1450 об/мин
Дополнительная характеристика Масса насоса, кг 90 КПД насоса, % 67
3 Расчет мощности двигателя насоса
Центробежные насосы типа К150-125-315 применяются для водоснабжения котлов, насосных станций и других установок промышленного оборудования.
Полезная гидравлическая мощность насоса в номинальном режиме определяется выражением.
NQ кЗ QH H (QH ) , (3.1)
где к3 – коэффициент запаса (1,1 -1,4);
- уд е л ьн ы й ве с п е р е к а ч и ва е м о й ж и д к о с ти , д ля во д ы о н р а ве н 9810 Н/м3;
- Qн — подача воды при номинальном режиме, м3 /с;
- H(Qн ) — напор при номинальном режиме, м.
Для питательного насоса К150-125-315, используя характеристики насоса, имеем: QH 200 м3 час и H (QH ) 32 м, КПД — (QH ) 0,78
Использование частотно-регулируемого привода для насосов
... и мощность насоса. Воздействие на насос (изменение размеров рабочих колес). Частотный преобразователь в комплекте с асинхронным электродвигателем позволяет заменить электропривод постоянного тока. Системы ... двигаться по системе. Насос позволяет преодолеть сопротивление, которое неизменно возникает на отдельных участках отопительного трубопровода. Циркуляционные устройства разделяют на два типа: ( ...
1,2 200 32 9810
NQ к З QH H (QH ) 25,5 кВт (3.2)
3600 1000
Потребляемая мощность электродвигателя в номинальном режиме
NQ
N , (3.3)
n
где n — КПД насоса при номинальном режиме;
- КПД двигателя при номинальном режиме. Для питательного насоса КПД — n 0,78
Для асинхронного двигателя предварительно принимаем 0,9 .
NQ 25,5
N 36,3 кВт (3.4)
n д 0,78 0,9
В качестве двигателя насоса выбираем асинхронный трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором 4А200L4У3: Р2 = 37 кВт, U = 220/380 В,
н 1475об / мин , 2р = 4; конструктивное исполнение IM 1001; исполнение по способу защиты IP44; способ охлаждения IC0 141; климатическое исполнение и категория размещения УЗ, класс нагревостойкости изоляции F.
Характеристики насоса и сети строятся в координатах «напор-расход», точка пересечения этих характеристик называется рабочей точкой. Эта точка определяет энергетические параметры совместной работы насоса на сеть (рис. 3.1).
При изменении характеристики сети или насоса рабочая точка соответственно смещается.
Рисунок 3.1 – Регулирование подачи воды с помощью задвижки
(сопротивление сети)
Для изменения режима водоснабжения используются два способа регулирования: 1. Изменением характеристики внешней сети, т. е. регулированием гидрав лического сопротивления с помощью задвижки при постоянной скорости вращения приводного асинхронного двигателя; 2. Изменением угловой скорости приводного электродвигателя.
Рассмотрим первый способ изменения режима водоснабжения при уменьшении подачи воды сети на 30%. Для этого уменьшают проходные сечения задвижки. В результате сопротивление внешней сети возрастает и рабочая точка 1 (рис. 3.1) смещается влево и занимает на графике новое положение (точка 2).
При номинальном режиме полезная мощность определяется прямоугольником 0-QH-1-H(QH), а при уменьшении подачи на 30% — прямоугольником 0-0,7QH-2-H(0,7QH).
Рисунок 3.2 – Регулирование подачи воды изменением угловой скоро сти вала насоса (частотный способ)
В этом случае потребляемая двигателем мощность определяется:
N QQ H
N’ , (3.5)
‘n
где Q — относительная величина подачи ( Q 1 при номинальной подаче);
- H H0 (H0 1)(Q )2 — напор при относительной величине подачи;
- H0 1,4H(Qн ) — напор при нулевой подаче;
- ‘n — КПД насоса при уменьшенном расходе.
При регулировании задвижки имеем: Q 0,7 и ‘n 0,66 при подаче 70% от номинальной величины.
N QQ (H 0 (H 0 1)(Q ) 2 ) 25,5 0,7 (1,4 (1,4 1) 0,7 2 )
N’ 36,1 кВт(3.6)
‘n 0,66 0,9
Потребляемая электродвигателем мощность при 50% подачи от номинальной мощности составляет
N Q 0,5( H 0 ( H 0 1) 0,52 ) 25,5 0,5(1,4 (1,4 1)0,52 ) N 27 ,9
n д 0,66 0,9 к В т (3.7)
При втором способе регулирования уменьшение угловой скорости вала насоса приводит к «опусканию» вниз его характеристики. При этом рабочая точка перемещается влево по характеристике внешней сети (рис. 2.2 ).
ВПЭР ОСАДЧИЙ1. Двигатель мтз 80 устройство и характеристики д
... на кривошипно-шатунный механизм. Глава .Устройство двигателя Д-240 1 — форсунка; 2 — головка блока; 3 — гильза; 4 — поршень; 5 — камера сгорания. Двигатель Д-240: Двигатель Д-240Л (вид слева) На ... себя оправдало, поскольку у мотора нет болезней, присущих аналогичным механизмам. Технические характеристики двигателя МТЗ-80 д-240 Модель двигателя – Д-240 Тяговый класс — 1,4 т. Мощность (Дизель) – 59 ( ...
Как следует из графика, полезная мощность при 70% подаче определяется прямоугольником 0-0,7QH-H(0,7QH).
Потребляемая электродвигателем мощность при уменьшении подачи изменением угловой скорости вала определяется как
N Q (Q )3 25,5 0,73
N » 11,6 кВт (3.8)
n 0,84 0,9
Здесь величина n насоса изменяется незначительно, так как характеристика внешней сети и характеристика насоса до регулирования работали согласованно с наивысшим КПД. Тогда как при первом способе регулирования это согласование нарушается.
Потребляемая электродвигателем мощность при 50% подачи от номинальной мощности при частотном регулировании составляет
N Q 0,53 25,5 0,53
N 4,21 кВ т (3.9)
n д 0,84 0,9
4 Расчет элементов преобразователя частоты
Рисунок 4.1 — Силовая схема преобразователя частоты
Преобразователь частоты (рис. 4.1) состоит из неуправляемого выпрямителя (диоды VD1…VD6), конденсатора С фильтра, автономного инвертора (транзисторы VT1…VT6) и обратного выпрямительного диодного моста (VD7…VD12).
Транзисторы автономного инвертора работают на частоте 5 кГц, обеспечивая широтно-импульсную модуляцию выходного напряжения преобразователя, что позволяет получить практически синусоидальную форму кривой статорного тока.
4.1 Расчет и выбор ключей инвертора
4.1.1 Максимальный ток через ключи инвертора
где — коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току, необходимой для обеспечения динамики электропривода;
- коэффициент допустимой мгновенной пульсации тока;
- линейное напряжения двигателя, В.
4.1.2 Выбор ключей инвертора
Ключи инвертора выбираем типа IGBT с постоянным (номинальным) током коллектора , т.е. тип СМ200DY24HMITSUBISHIELECTRIK, ток . Основные данные:
;
4.1.3 Расчет потерь в инверторе 4.1.4 Потери в IGBT в проводящем состоянии
(4.2)
где – максимальная амплитуда тока на входе инвертора;
- максимальная скважность;
- прямое падение напряжения на ключе при его насыщении
- 4.1.5 Потери в IGBT при коммутации
где — продолжительность переходных процессов по цепи коллектора на открвания и закрывания;
- напряжение на коллекторе ключа, В;
- частота коммутаций IGBT, Гц (частота ШИМ равная 5000 Гц).
4.1.6 Суммарные потери IGBT
4.1.7 Потери диода FWD в проводящем состоянии
(4.5)
где — максимальная амплитуда тока через обратный диод, А;
- прямое падение напряжение на диоде (в в проводящем состоянии), В. 4.1.8 Потери при восстановлении запирающих свойств диода FDW
(4.6)
где – амплитуда обратного тока через диод, А;
- продолжительность импульса обратного тока, сек. 4.1.9 Суммарные потери диода FWD
i. Результирующие потери в гибридном модуле
Найденные результирующие потери являются основой для теплового расчета инвертора, в ходе которого определяются тип и геометрия охладителя. 4.1.11 Тепловой расчет параметров охладителя инвертора 4.1.12 Максимально допустимые переходное сопротивление охладителя окружающая среда, для гибридного модуля
Расчет электрической цепи постоянного тока и напряжения
... токов, напряжений и узловых потенциалов. Проверить на практике законы Ома, законы Кирхгофа, баланс мощностей. контурный ток напряжение электрический Согласно своему варианту было получено задание, представляющее собой схему электрической цепи, показанную на рисунке ... вводимое в электрическую цепь для регулирования тока и напряжения [2]. Основной единицей сопротивления в СИ является ом (Ом), однако ...
где — температура теплопроводящей пластины;
- температура охлаждающего воздуха;
- термическое переходное сопротивление корпус – поверхность теплопроводящей пластины модуля.
4.1.13 Температура кристалла IGBT
где — термическое переходное сопротивление кристалл – корпус для IGBT. 4.1.14 Температура кристалла обратного диода FWD
где — термическое переходное сопротивление кристалл – корпус для IGBT.
Температура кристалла IGBT и FWD не превышает 398 K 125 C , теплоотдача охладителя достаточна.
4.2. Расчет и выбор вентилей диодного моста
4.2.1 Среднее выпрямленное напряжение где — коэффициента схемы для номинальной нагрузки. 4.2.2 Максимальное значение среднего выпрямленного тока
где – количество пар IGBT /FWD. 4.2.3 Максимально рабочий ток диода
где — коэффициент для мостовой трехфазной схемы при Г – образном LC – фильтре, установленном на входе выпрямителя. 4.2.4 Максимально обратное напряжение диода
где — коэффициента запаса по напряжению;
- для мостовой схемы;
- коэффициент допустимого повышения напряжения сети;
- запас на коммутационные выбросы напряжения в звене постоянного тока.
Выбираем трехфазный диодный мост в составе модуля СМ150DX-24A с постоянным током 150А и максимальным обратным напряжением 1200 В. 4.2.5 Расчет потерь в выпрямителе где — для мостовой трехфазной схемы;
- число полупроводниковых приборов модулей схем;
- падение напряжение в выпрямителе/
4.2.6 Тепловой расчет параметров охладителя выпрямителя 4.2.7 Максимально допустимое переходное сопротивление охладитель –
окружающая среда
(4.17)
4.2.8 Температура кристалла
где — количество приборов в модуле.
Необходимое условие выполняется. 4.2.9 Расчет параметра охладителя 4.2.10 Требуемое суммарное переходное тепловое сопротивление охладитель
- окружающая среда
(4.19) 4.2.11 Площадь охладителя
Определяется из размеров конструкции для обеспечения эффективного отвода тепла.
в
c
h
d
Рисунок 4.2 — Конструкция охладителя
где – ширина охладителя;
- длина охладителя;
- высота охладителя вместе с ребрами.
4.2.12 Площадь охладителя, участвующая в конвекции
где – число ребер охладителя;
- высота основания охладителя. 4.2.13 Переходное сопротивление излучению тепла
где
- 4.2.14 Переходное температурное сопротивление теплопередачи конвекция
(4.23)
Где — коэффициент ухудшения теплоотдачи (конвекции).
4.2.15 Переходное температурное сопротивление охладителя – окружающая
среда при естественном охлаждении
Полученное значение немного ниже требуемого суммарного значения, на основание этого можно сделать вывод, что охладитель с выбранными размерами обеспечит необходимый отвод тепла.
4.3 Расчет фильтра
4.3.1 Коэффициент пульсаций на входе фильтра
(4.25)
Где — пульсность схемы выпрямления. 4.3.2Параметр сглаживания LC – фильтра
(4.26)
Где – коэффициент сглаживания по первой гармонике. 4.3.3 Средний ток звена постоянного тока
Асинхронный двигатель с фазным ротором
... сопротивление для двигателя с фазным ротором. Устройство асинхронных электродвигателей с фазным ротором Основными частями любого асинхронного двигателя является неподвижная часть — статор и вращающая часть, называемая ротором. Статор трехфазного асинхронного двигателя состоит из шихтованного магнитопровода, запрессованного в литую станину. На ...
(2.27)
4.3.4 Индуктивность дросселя LC – фильтра 4.3.5 Амплитуда тока протекающего через конденсатор фильтра на частоте
первой гармоника
(4.29
где — емкость конденсаторов, необходимая для протекания реактивного тока нагрузки инвертора. 4.3.6 Расчет снаббера
Для ограничения напряжения коммутации требуется установка демпфирующей цепи (снаббера).
VD R
C
Рисунок 4.3 — Схема включения демпфирующей цепи (снаббера)
В качестве снаббера выбираем цепь представленную на рисунке 6. Емкость конденсатора снаббера выбираеться из расчета 1 мкф на 100 А. Выбираем конденсатор . 4.3.7 Мощность резистора снаббера 4.3.8 Сопротивление резистора, для обеспечения минимума колебаний тока
коллектора IGBT
(4.31)
Где – индуктивность цепей снаббера, Гн (принимаем ).
Отношение максимума тока через диод снаббера к среднему (20-50):1. В качестве диода выбирается высокочастотный диод со временем восстановления запирающих свойств
5 Расчет механических характеристик при скалярном управлении
Параметры асинхронного двигателя 4A200L4У3: Синхронная частота вращения n 1500 об/мин
Число пар полюсов рп = 2
Номинальная мощность PH 37000Вт КПД = 0,91 Коэффициент мощности двигателя cos н = 0,9 Номинальное фазное напряжение Uфн = 220 В Число фаз обмотки статора m1 = 3 Динамический момент инерции ротора двигателя J = 0.368 кг м2 Кратность критического момента = 2,5 Номинальное скольжение Sн = 0,017
x 4,4 ; x1 0,086 ; r1 0.013 ; x2 0,14 ; r2 0.018 — параметры Гобразной схемы замещения.
Рисунок 5.1 — Г-образная схема замещения асинхронного двигателя
для номинального режима
Номинальный фазный ток статора:
P2 37000
IФН 68,45 A . (5.1)
m1 U ФН cos 3 220 0,9 0,91
По формулам, приведенным в справочнике:
2 x1 x 2 0,086 4,4
x1 0,084 . (5.2)
2 2
x x 4 x1 x 4,4 4,4 4 0,086 4,4
r1 r1 x1 x1 0,013 0,084 0,086 0,01275. (5.3)
Коэффициент перевода относительных единиц в физические:
U ФН 220
c 3,214 . (5.4)
I ФН 68,45
Активное сопротивление обмотки статора:
RS r1 c 0,01275 3,214 0,0409 Ом . (5.5)
Взаимная индуктивность фаз статора и ротора:
x с 4,4 3,214
Lm 0,04503 Гн . (5.6)
2 f 314
Параметры уточненной схемы замещения:
- x1 с1 x1 ;
- r1 с r1 ;
- r2 с1 r2 ;
- x2 с1 x2 ,
x1 0,086
с1 1,023 . (5.7)
x1 0,084
Полная индуктивность фазы статора:
x x1 / с1 c 4,4 0,086 / 1,023 3,214 LS 0,0459 Гн (5.8)
2 f 314
Активное сопротивление обмотки ротора:
(5.9)
Полная индуктивность фаз ротора:
x2 0,14
(x ) c (4,4 )3,214
c12 1,023 2
Lr 0,0464 Гн . (5.10)
2 f 314
Коэффициенты электромагнитной связи статора и ротора:
(5.11)
(5.12)
Коэффициент рассеяния обмоток:
(5.13)
Переходные индуктивности статора и ротора:
(5.14)
(5.15)
Переходное активное сопротивление статора:
RS RS k 2 r Rr 1,4 0,9764 2 0,8316 2,1558 Ом . (5.16) Индуктивное сопротивление намагничивающего контура:
Вентильные системы асинхронного электропривода с каскадно-частотным ...
... вентильных систем асинхронного электропривода с использованием гибридных схем, сочетающих в себе свойства каскадного и частотного электроприводов. Задачи , которые ставились и выполнялись в ходе работы: моделирование асинхронного двигателя ... частотного электропривода. Практическая ценность работы состоиг в том, что: на базе асинхронных двигателей с фазным ротором ... рисунков на 46 страницах, 24 таблицы.
x 2 Lm 314 0.04503 14,139 Ом (5.16)
Индуктивное сопротивление рассеяния статора:
xS 2 f ( LS Lm ) 314 0.00087 0,2733 Ом
(5.17) Индуктивное сопротивление рассеяния ротора, приведенное к статору:
xr 2 f ( Lr Lm ) 314 0.00137 0,4302 Ом (5.18)
xK xS xr’ 0,27 0,4302 0,7035 Ом. (5.19)
5.2 Общий подход расчета механических характеристик асинхронного
двигателя при частотном скалярном управлении
Для определения момента двигателя и построения механических характеристик при частотном регулировании используют Г – образные упрощенные схемы замещения, в которых контур намагничивания вынесен на вход схемы без учета падения напряжения на активном сопротивлении и индуктивном сопротивлении рассеяния статора.
Рисунок 5.2 — Схемы замещения асинхронного двигателя при номинальных
параметрах сети (а) и частотном управлении (б)
f SX
Для расчета характеристик приняты обозначения: f S — относи f SH
U Sx тельная частота питающего статор напряжения; h — относительное
U SН
SX напряжение на статоре двигателя; S X 1 — скольжение
SX SH fS
SX SX SX при заданной частоте; fS S X f S — абсолют SH SX SH
ное скольжение, характеризующее наклон механической характеристики при изменении частоты питающего напряжения.
Используя схему замещения (рис.5.16,б) асинхронного двигателя при частотном регулировании, определяем ток фазы ротора:
h U SН
Ir (5.20)
2 2
RS Rr / S x f S* xk ,
где x K xS xr’ — индуктивное сопротивление рассеяния цепи короткого замыкания.
Электромагнитная мощность трехфазного двигателя при частотном регулировании определяется выражением
PЭМ 3 Ir Rr / S X MX SX . (5.21)
Подставляя в выражение значение тока фазы ротора, получаем уравнение статической механической характеристики при частотном регулировании
3h 2 U SН
Rr / S X 3h 2 U SН
Rr S X MX 2 2 2 2 . (5.22)
f S* SН RS Rr / S X f S* xk f S* SН RS S X Rr f S* xk S X
Опрокидывающий момент механических характеристик
3h 2 U SН
M КX (5.23)
2 f S* SН RS RS2 f S* x k .
В приведенных выражениях знак плюс относится к двигательному режиму, а знак минус – к генераторному режиму работы.
Величина опрокидывающего момента двигателя определяется из (5.24)
f S* 1; 3 220 2
MK 530 Нм
2 2
h 1. 2 157 0,0409 0,0409 0,7135 .
(5.25)
Уравнение для расчета угловой скорости ротора двигателя
SН 1 SX 157 1 S X (5.26)
- Уравнение для расчета вращающего момента двигателя
3 220 2 0,055 h 2 S X
MX 2 2
157 0,0409 S X 0,055 0,7135 f S* S X f S*
50,87 h 2 S X (5.27)
2 2
0,0409 S X 0,055 0,7135 f S* S X f S*
С использованием уравнений (1.36) и (1.34) в программе MATLAB составлен скрипт для расчета и построения семейства механических характеристик.
Рисунок 5.3 — Скрипт вычисления механических характеристик
160
120
y(1/c)
60
20
0 100 200 300 400 500 600
x(Hm)
Рисунок 5.4 — Механические характеристики асинхронного двигателя
US
при частотном регулировании fS
const
Из приведенных характеристик следует, что при снижении частоты уменьшается величина критического момента и снижается жесткость характеристик. Это обстоятельство объясняется тем, что с ростом нагрузки происходит падение напряжения на активном сопротивлении статорной обмотки. В свою очередь, это приводит к уменьшению магнитного потока и, следовательно, к снижению электромагнитного момента. Для сохранения постоянства опрокидывающего момента двигателя необходимо величину питающего напряжения на статоре в процессе регулирования уменьшать в меньшей степени, чем частоту. Для построения механических характеристик при Мк =const необходимо вычислить относительные величины напряжения на статоре двигателя при изменении частоты, используя следующее выражение:
3 h 2 220 2
527 (5.28)
2 157 f S* 0,13 0,13 2 f S* 0,735 .
В ходе расчета получаем: 1) при
fS*=0.2 величина h=0.276; 2) при
fS*=0.4 величина h=0.455; 3) при
fS*=0.6 величина h=0.635; 4) при
fS*=0.8 величина h=0.82. Приведен ные результаты расчета позволяют
построить функциональную зависи
мость h f S* .
140
100
y(1/c)
60
20
0 100 200 300 400 500 600
x(Hm)
Рисунок 5.5 — Механические характеристики асинхронного двигателяcIrком пенсацией.
Как видно из механических характеристик (рис. 5.5) перегрузочная способность двигателя остается постоянной, а жесткость соответствует жесткости естественной характеристики закона частотного регулирования вида:
Рисунок 5.6 — Скрипт вычисления механических характеристик при
вентиляторной нагрузке
Питательный насос имеет вентиляторную нагрузку М с с 2
- При этом используется скалярный Рисунок 5.6 — Механические характеристики при пропорциональном частотном регулировании с I r — компенсацией
Us f s2 Us
const.
U sн f sн2 или f s2 (5.29)
Для вычисления механических характеристик двигателя питательного насоса при вентиляторной нагрузке разработан специальный скрипт для частот =50 Гц, =42,5 Гц и =35 Гц. Коэффициент пропорциональности вычисляется по формуле
Us 220
k 0,088 (5.29)
f sн2 2500 Рисунок 5.7 — Механические характеристики при
вентиляторной нагрузке
6 Математическое моделирование системы электропривода
Уравнения и математическая модель асинхронного двигателя
Для математического описания и моделирования асинхронного электропривода обобщенные векторы величин асинхронного двигателя записываются в ортогональной системе координат , , неподвижной относительно статора US US j U S ; iS iS j iS ; S S j S ; r r j r . (6.1)
Система координат , удобна при анализе систем, когда в цепи статора машины имеет место не симметрия, в частности, включены транзисторные ключи автономного инвертора, или существует короткое замыкание статорных цепей. Кроме того, ось совпадает с магнитной осью фазы а реаль ной асинхронной машины. Отсюда проекция тока iS будет равна реальному току двигателя.
Уравнения асинхронного двигателя записываем на основе системы уравнений При этом полагаем, что K 0 и Ur 0.
d S d r
US RS i S ; Rr i r pП r ;
d d
d S d r (6.2)
US RS i S ; Rr i r pП r .
d d
S LS i S Lm i r ; r Lm i S Lr i r ;
- LS i S Lm ir ; Lm i S Lr i r . (6.3)
S r
Для удобства построения математической модели систему уравнений выражаем через токи:
1 kr kS 1
iS S r ; ir S r ;
L’S L’S L’r L’r
1 kr kS 1 (6.4)
iS S r ; ir S r ,
L’S L’S L’r L’r
Lm Lm где L’S LS , L’r Lr , k S и kr — соответственно коэффициенты
LS Lr
связи статора и ротора;
L2m
1 1 k S k r — коэффициент рассеяния.
LS Lr
Как было показано выше, выражение электромагнитного момента асинхронного двигателя представляет собой векторное произведение пространственных векторов тока и потокосцеплений. Выбор того или иного вида уравнения для электромагнитного момента осуществляется из условия рационального построения структурной схемы математической модели.
MЭ рП S iS S iS . (6.5)
Уравнение движения двигателя в одномассовой системе, имеет вид:
d 1
MЭ MC , (6.6)
dt J
где J — приведенный суммарный момент инерции ротора и механизма;
- M C — статический момент нагрузки.
Рисунок 6.1 — Математическая модель асинхронного двигателя
с короткозамкнутым ротором в неподвижной системе координат ( , ).
Математическая модель асинхронного двигателя построена по уравнениям в системе координат , и приведена на рисунке 6.1.
В качестве входных напряжений U S и U S подаются сигналы от источников SineWave:
- US U m sin 0 t U m cos 0 t;
2 (6.7)
US U m sin 0 t,
где U m 2 220 310 B — амплитуда входного напряжения; 0 314с 1
- круговая частота электромагнитного поля статора.
В окне настройки блока SineWave необходимо задать амплитуду — 310, круговую частоту – 157rad/sec и фазу колебаний – 1,57 rad, а в окне настройки блока SineWave 1 задать амплитуду — 310, круговую частоту – 157rad/secи фазу колебаний – 0 rad. Окно настроек SineWave активизируется после переноса источника сигнала в рабочую область моделирования. Применение блоков SineWave обеспечивает питание статорных цепей асинхронного двигателя двухфазным переменным напряжением.
Момент сопротивления нагрузки на валу двигателя создается блоком Step.
Для исследования работы асинхронного электропривода с пропорциональным законом скалярного частотного управления необходимо питать статорные обмотки от модели преобразователя частоты (модель IGBT — Inverter).
Для создания модели IGBT — Inverter используем модель гармонических колебаний регулируемой частоты, которая представляет собой модель идеального преобразователя частоты.
Схема модели приведена на рисунке 6.1 в указанной схеме изменение
и U m во времени, т. е. интенсивность частотного пуска, задается задатчиком интенсивности, в который входят блоки Gain, Integrator и Saturation.
Рисунок 6.2 — Схема модели IGBT-инвертор
Рисунок 6.3 — Схема частотного пуска асинхронного электропривода
Схема математического моделирования (рисунок 6.1) состоит из двух частей, что позволяет проводить сравнительные исследования и анализ электромеханических процессов двух электроприводов.
7 Динамические характеристики системы
На рисунке 7.1, приведены сравнительные осциллограммы электромаг нитного момента MЭ и угловой скорости ротора асинхронного двигателя при прямом пуске и частотном пуске. При частотном пуске использовался
пропорциональный закон частотного управления U S / f S const .
Рисунок 7.1 – сравнительные осциллограммы при прямом
и частотном пусках двигателя
Сравнение динамических характеристик f M показывает, что ча стотное управление пуском позволяет приблизить характеристику к кривой, обеспечивающей пуск двигателя с более постоянным моментом по сравнению с характеристикой прямого пуска асинхронного двигателя. Рисунок 7.2 – сравнительные осциллограммы фазного тока статорной обмот ки при прямом и частотном пусках двигателя
Рисунок 7.3 –Динамическая механическая характеристика при частотном
пуске асинхронного двигателя
Как видно из приведенных осциллограмм (рис 7.2 и 7.3) при частотном пуске асинхронного двигателя амплитуда пускового тока в фазе А, снижается в 3.5 раза, что предотвращает механические удары при пуске насоса и позволяет настроить аппаратуру пуска.
Рисунок 7.4 — Годографы вектора статорного напряжения: а – при пропорци ональном частотном пуске; б – при прямом пуске
При сравнении годографов вектора статорного напряжения можно отметить, что годограф (рисунке 2) имеет вид спирали, постепенно переходящей в окружность. Это свидетельствует о том, частота и амплитуда напряжения на статоре двигателя изменяются пропорционально в процессе пуска.
Годографы вектора статорного напряжения двигателя получены при использовании блока xyGraph, у которого к входу x подключено напряжение U S , а к входу y – напряжение U S . При этом в диалоговом окне блока на по лях x – min, x – max, y – min и y – max должны быть введены значения 310.
8 Технология изготовления ротора асинхронного двигателя и техника
безопасности при эксплуатации электроприводов
8 .1 Способы изготовления короткозамкнутых роторов асинхронного двига-
теля 8 .1 .1 Заливка роторов статическим способом Статический способ заливки обычно используют на мелкосерийном и единичном производстве. Окупаемость высокой трудоемкости процесса происходит за счет простоты заливки и оборудования, а также за счет небольших площадей для оборудования. Данный способ применяют для роторов диаметром 300-800 мм.
Рисунок 8.1 – Схема установки для заливки роторов в кокиль статическим способом: 1-литниковая чаша; 2-верхняя часть кокиля; 3-нижняя часть коки ля; 4-основание; 5-нижняя часть оправки; 6-механизм движения тяг; 7 форма; 8-поршень
В связи с недостаточным давлением в заливке данным способом, появляется множество дефектов, таких как недоливы, спаи и уменьшение сечения стрежней относительно пазов. Давление в этом способе определяется высотой литниковой системы. Оксидная пленка, которая образуется на алюминии при данном способе заливки, является главной причиной разрывов стержней и спаев. Исходя из этого, статический способ дает низкое качество отливок. 8.1.2 Заливка роторов вибрационным и центробежным способами. Данные способы позволяют добиться намного лучшего качества заливки, нежели статический способ. Главная особенность вибрационного способа, это то, что при заливке и кристаллизации металла, кокилю поступают колебательные движения различными механическими способами. С помощью вибрации устраняется большинство дефектов заливки, из расплава выделяются газы и неметаллические соединения, так же вибрация позволяет добиться более однородной и мелкой структуры металла. Как правило, этот способ используют при заливке роторов с малым сечением пазов.
Рисунок 8.2 — Установка для вибрационной заливки роторов: 1-стол; 2технологическая оправка; 3-литниковая чаша; 4-верхняя половина формы; 5 разъемная рубашка; 6-сердечник; 7-нижняя часть формы; 8-тяга; 9 подвижная плита; 10-поршень
Особенность центробежного способа заливки заключается в том, что
кокиль вращается вокруг вертикальной оси с частотой примерно 160 оборотов в минуту, а жидкий алюминий заливается через центральное отверстие. 8.1.3 Заливка роторов под низким давлением
В способах изготовления роторов, описанных ранее, заливка всегда происходила сверху в низ, из-за чего в форме образовываются газовые раковины, что является серьезным дефектом ротора. Во время заливки ротора под низким давлением, расплавленный металл подается в форму снизу, непосредственно из печи, удаляя воздух из формы, и не образуя окислов.
Рисунок 8.3 – Схема заливки роторов под низким давлением: 2-подвижная часть формы; 3-пакет ротора; 4-неподвижная часть формы; 5-тигель; 6 металлопровод; 7-печь; 8-воздухопровод 8.1.4 Заливка роторов под высоким давлением
Такая заливка роторов выполняется только на специальном литейном оборудовании. Особенностью метода является то, что перед заливкой нет необходимости подогревать сердечники, т.к. под высоким давлением металл сразу заполняет пресс-форму, не успевая остыть. Благодаря этому происхо дит значительное сокращение технологического цикла. Данный метод залив ки может быть как автоматизирован, так и механизирован.
8.2 Безопасность и экологичность электродвигателя с преобразователем
частоты
В период внедрения новых технологических процессов и оборудования, наиболее остро встает проблема охраны труда.
Основной задачей охраны труда является снижение количества профес сиональных заболеваний и травматизма на производстве с обеспечением без опасных и в то же время комфортных условий при максимальной производи тельности труда.
При проектировании, строительстве, изготовлении, вводе в действие и эксплуатации новых объектов должны быть предусмотрены и разработаны меры по безопасности труда. 8.2.1 Описание рабочего места и оборудования
Асинхронный электродвигатель с преобразователем частоты расположен на валу питательного насоса К150-125-315 и закреплен горизонтально по от ношению к приводному валу насоса и фронтально по отношению к операто ру. Справа расположены наружные окна производственного участка.
Таблица 8.1 – спецификация оборудования для производственного участка № позиции на Наименование обору- Работы, операции, выполняемые на эскизе участка, дования этом оборудовании рабочего места
1 Питательный насос Подача воды и регулирование пода К150-125-315 чи в процессе работы
2 Асинхронный двига тель Обеспечение вращения приводного
3 Преобразователь ча- вала
стоты Регулирование угловой скорости ва ла питательного насоса
8.2.2 Идентификация опасных и вредных производственных факторов
Мероприятия по охране труда проводятся для защиты участников трудо вого процесса от воздействия опасных и вредных производственных факто ров, возникающих в процессе его осуществления. В работе рассматривается асинхронный электропривод с частотным регулированием для питательного насоса.
В данном изделии присутствуют следующие опасные производственные факторы:
- повышенные значения напряжения в электрической цепи, питающий электрооборудование.
К вредным факторам следует отнести:
- повышенный уровень шума при рабое асинхронного двигателя и насоса (уровень звука до 85 Дб);
- недостаточная освещенность рабочей зоны.
В таблице 8.2 представлены опасные и вредные производственные фак торы в зависимости от видов выполняемы работ и операций.
Таблица 8.2 — опасные и вредные производственные факторы
№ Опасные и вредные производ- Виды работ, оборудования, п/п ственные факторы технологических операций.
Подключение электрообору Повышенные значения напряже 1 дования и электроизмеритель ния в электрической цепи
ных приборов. 2 Повышенный уровень шума Работа двигателя и насоса
Недостаточная освещенность ра- Снятие показаний с электро бочей зоны измерительных приборов.
8.2.3 Воздействие производственных факторов на организм работников
Шум, являясь беспорядочным сочетанием различных по частоте звуков, оказывает неблагоприятное воздействие на организм человека, создавая акустический дискомфорт. Шум создает нагрузку на нервную, сердечно – сосудистую и дыхательную системы, поэтому необходимо принимать меры по снижению шума в рабочих помещениях. При длительном воздействии шум может вызвать такие профессиональные заболевания как тугоухость и шумовая болезнь.
Недостаточное освещение рабочего места или его отсутствие, равно как и слишком яркое освещение вызывают постоянное зрительное напряжение и как следствие ухудшение зрения. 8.2.4 Организационные и технические мероприятия по созданию безопасных условий труда при монтаже двигателя и преобразователя частоты
Монтаж преобразователя представляет собой потенциальную опасность, поскольку при проведении монтажных и профилактических работ человек может коснуться находящихся под напряжением токоведущих частей. Фактором, определяющим тяжесть поражения, является величина электрического тока, протекающего через тело человека.
Питание электропривода осуществляется от трехфазной сети с нулевым проводом частотой 50 Гц, напряжением 380 В.
Из анализа случаев электротравматизма следует, что проведения только организационных мер недостаточно, и требуются технические меры, такие как защитное заземление и защитное отключение неисправного стенда.
Поскольку используется трехфазная сеть переменного тока напряжением до 1000 В, защита персонала осуществляется защитным заземлением – преднамеренным соединением металлических частей стенда, доступных для прикосновения человека с внешней горизонтальным заземляющим электродом, что исключает поражение человека при возникновении замыкания на корпус.
В качестве горизонтального заземляющего электрода используют полосовую сталь сечением не менее 4 12 мм, или сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм.
Согласно «Правилам устройства электроустановок» (ПУЭ) сопротивление заземляющего устройства в электроустановках напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью должно быть не более 4 Ом.
Большое значение для предотвращения электротравматизма имеет правильная организация обслуживания действующих электроустановок, проведение монтажных, ремонтных и профилактических работ. Под правильной организацией понимают четкое выполнение организационных и технических мероприятий, установленных действующими «Межотраслевые правила по охране труда (Правила безопасности при эксплуатации электроустановок) (ПОТ Р М-016-2001 РД 153-34.0-03.150-00), «Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей» (ПТЭЭП).При выполнении работ необходимо соблюдение следующих организационных и технических мер: ограждение, расположенных вблизи рабочего места и других токоведущих частей, к которым возможно прикосновение;работа в диэлектрических перчатках, стоя на диэлектрическом коврике; применение инструмента с изолирующими рукоятками; выполнение работ не менее чем двумя работниками.
В соответствии с ПТЭЭП и ПОТ Р М-016-2001 РД 153-34.0-03.150-00 обслуживающий персонал электроустановок должен соответствовать следующим требованиям: лица, не достигшие 18-летнего возраста, не могут быть допущены к работам в электроустановках; лица не должны иметь увечий и заболеваний, мешающих производственной работе; лица, после соответствующей теоретической и практической подготовки, должны пройти проверку знаний и должны иметь, для работ в электроустановках, удостоверение с группой допуска по электробезопасности не ниже третьей. 8.2.5 Обеспечение пожарной безопасности на рабочем участке
На рабочем участке на видном месте должна быть вывешена табличка с указанием номера телефона пожарной части и диспетчеров пожарной охраны.Должны быть установлены следующие нормы: установлен порядок уборки помещения; определен порядок обесточивания оборудования при пожаре и по окончании рабочего дня; установлен порядок проведения противопожарных работ, действия персонала при обнаружении пожара; установлены порядок и сроки прохождения инструктажа по пожарной безопасности и занятий по пожарно-техническому минимуму, назначены ответственные за их своевременное проведение; должен быть разработан и вывешен на видном месте план-схема эвакуации людей в случае возникновения пожара, а также предусмотрена установка системы оповещения людей о пожаре.
Производственные работники обязаны: соблюдать требования пожарной безопасности стандартов, норм и правил, утвержденных в установленном порядке в установленном порядке, а также соблюдать и поддерживать противопожарный режим; соблюдать меры предосторожности при пользовании легковоспламеняющимися жидкостями (ЛВЖ); в случае обнаружения пожара сообщить в пожарную охрану и принять меры по ликвидации пожара и спасению людей.
Порядок действия при пожаре: немедленно сообщить по телефону в пожарную охрану; принять по возможности меры по эвакуации людей, тушению пожара и сохранению материальных ценностей.
Должностное лицо, прибывшее к месту пожара, обязано: продублировать сообщение о возникновении пожара в пожарную охрану и поставить в известность вышестоящее руководство, диспетчера, ответственного дежурного по объекту; в случае угрозы жизни людей немедленно организовать их спасение, используя для этого все имеющиеся силы и средства; проверить включение в работу автоматических средств пожаротушения; отключить электроэнергию; прекратить все работы в здании, кроме работ, связанных с мероприятиями по ликвидации пожара; удалить за пределы опасной зоны всех работников, не принимающих участие в тушении пожара; осуществить общее руководство по тушению пожара; организовать эвакуацию и защиту материальных ценностей; организовать встречу подразделений пожарной охраны и оказать помощь в выборе кратчайшего пути для подъезда к очагу пожара.Рабочий участок должен быть оборудован следующим: углекислотные огнетушители ручные ОУ-2, ОУ-5, ОУ-8 – 1 шт;пенные, химические, воздушно-пенные и жидкостные огнетушители – 1 шт;
9 Экономическое обоснование модернизации электропривода
питательного насоса
Целью данного раздела является экономическое обоснование внедрения частотного преобразователя в систему электропривода вращения вала питательного насоса К150-125-315 при регулировании подачи воды котла промышленного оборудования, с целью сокращения затрат при регулировании по сравнению с базовым вариантом. В качестве базового варианта будем считать вариант, в котором регулирования подачи воды осуществляется с помощью задвижки. При этом скорость вращения вала питательного насоса остается постоянной, а изменяется сопротивление внешней сети. Характеристика работы питательного насоса К150-125-315 с асинхронным электроприводом: 1) нагрузка100% в течении 20% рабочего времени; 2) нагрузка 70% в течении 50% рабочего времени; 3) нагрузка50% в течении 30% рабочего времени. Время наработки насоса за год составляет 8000часов.
Задачи данного раздела:1) определить изменяющиеся показатели; 2) выполнить расчёт экономического эффекта проекта.
Имея базовый и проектный вариант, проведём анализ изменяющихся показателей. Результаты анализа приведены в табл. 9.1.
Таблица 9.1 — Анализ изменяющихся показателей
Конструктивные изменения Изменяющиеся пока Базовый вариант Проектный вариант затели
1 2 3 Электропривод питатель- Электропривод питательного насоса содержит ного насоса содержит ПЧ. Уменьшается расход асинхронный двигатель. Регулирование подачи электроэнергии, поРегулирование подачи во- воды осуществляется из- требляемый электроды осуществляется за- менением скорости вала приводом движкой. через ПЧ.
Продолжение таблицы 9.1 1 2 3
Снижение времени 2. Время простоев при Время простоев при
настройки и диагности аварии 4 часа аварии 2 час
ки при ремонте 3. Количество выходов Количество выходов из
Увеличение надёжности из строя (аварий) 10 раз строя (аварий) 5 раз в
электропривода
в год год
9.2 Расчёт экономической эффективности модернизации электропривода питательного насоса К150-125-315 Капитальные затраты включают в себя стоимость преобразователя частотыMICROMASTER (ф. SIEMENS) 6SE32 – 22-4DS45 — 132070 руб., монтаж и транспортные расходы – 3550 руб..
Стоимость затрат энергии при работе с дроссельным регулированием, кВт*ч Зdr c Pi T
3.5* (0.2*36.3+0.3*27.9+0.5*36.1)*8000=943040 рублей. где с = 3.5 руб. – стоимость 1 квт*ч электроэнергии; Pi — потребная мощность электропривода режима работы насоса; T =8000- число часов работы электропривода в год. Стоимость затрат энергии при работе с преобразователем частоты, кВт*ч Зchr c Pi T
3.5* (0.2*36.3+0.3*4.21+0.5*11.6)*8000=401044 рублей.
Экономия потерь электроэнергии при модернизации электропривода питательного насоса составляет: Зdr — Зchr = 943949-401044= 541 996 рублей.
Заключение
В квалификационной работе рассмотрены вопросы модернизации асинхронного частотного электропривода применительно к сетевому питательному насосу К150-125-315 для водогрейного котла. Асинхронный частотного электропривода и обеспечивающего регулирования его водоснабжения по программе: 1) нагрузка100% в течении 20% рабочего времени; 2) нагрузка 70% в течении 50% рабочего времени; 3) нагрузка50% в течении 30% рабочего времени.
Дан анализ направления развития электроприводов с частотным регулированием. При этом выявлено, что в настоящее время резко возрос спрос на асинхронные двигатели для систем частотного регулирования, обеспечивающие энергосбережение и электромагнитную совместимость при работе в различных средах и установках.
Произведен расчет мощности и выбор типа электропривода для совместной работы с питательным насосом К150-125-315, что позволяет получить эффективное регулирование водоснабжения. Для выявления параметров, определяющих уровень энергосбережения и экономию электроэнергии, произведен расчет мощности асинхронного двигателя и преобразователя частоты.
При расчете механических характеристик двигателя при скалярном законе управления найдены скорости и моменты устойчивой работы системы асинхронный двигатель – питательный насос для частот 50 Гц.,42,5 Гц. и 35 Гц. заданной производительности и напора. Выполнено математическое моделирование системы электропривода. Разработана модель асинхронного двигателя и виртуальная модель электропривода с частотным управлением, которая позволяет анализировать и исследовать смоделированные режимы частотного пуска асинхронного привода на персональном компьютере в программе MATLAB. Доказано, что применение частотного управления при пуске и регулировании скорости вращения вала питательного насоса, привело, в сравнительном анализе с базовым вариантом, к существенному снижению потерь электроэнергии при работе асинхронного двигателя.
Рассмотрены вопросы ротор асинхронного двигателя и рассмотрены технологические операции его изготовления. Для проведения безопасных наладочных работ по настройке и обслуживании асинхронного двигателя с частотным регулированием, предусмотрены организационные меры по технике безопасности (описание рабочего места и оборудования, идентификация опасных и вредных производственных факторов, воздействие производственных факторов на организм работников, обеспечение пожарной безопасности на рабочем участке).
Дано экономическое обоснование проведенной модернизации. Показано, что разработанный асинхронный электропривод с частотным преобразователем позволяет существенно сократить годовой расход электроэнергии и получить годовой экономический эффект в сфере эксплуатации.
Список использованных источников
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/bakalavrskaya/preobrazovatel-chastotyi/
