Одним из главных ресурсов, используемых человеком для жизнеобеспечения и производственной деятельности, является вода и другие жидкости. Для их транспортирования по трубопроводам применяются насосные агрегаты и установки, приводимые в движение трехфазными асинхронными электрическими двигателями. Только на транспортирование чистых и сточных вод в РФ ежегодно расходуется не менее 120−130 млрд. кВт-часов электроэнергии, стоимость которой оценивается в 215−235 млрд. рублей. От 30−40% электроэнергии теряется из-за сравнительно низкой энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов и их работы с превышением напора. Это является одной из причин повышения стоимости жизнеобеспечения людей и производимой продукции. Тенденцией мирового сообщества является снижение потребления электроэнергии с целью эффективного использования ресурсов и повышения конкурентоспособности продукции. В этой связи существует проблема повышения энергоэффективности транспортирования жидкостей насосными агрегатами.
Одной из причин невысокой энергоэффективности транспортирования жидкости является использование в электроприводах насосных агрегатов традиционных асинхронных двигателей (ТАД), потребляющих из электросети ток и реактивную мощность индуктивного характера, снижающие коэффициент мощности (coscp), электрический КПД, и, следовательно, энергетический КПД, равный их произведению.
Наиболее эффективным методом снижения энергозатрат является компенсация реактивной мощности, осуществляемая различными известными техническими средствами — компенсаторами реактивной мощности (КРМ).
В системах электроснабжения 0,4 кВ насосных станций, как правило, отсутствуют КРМ. Поэтому потери электроэнергии от реактивных токов составляют не менее 20−38% от общих электрических потерь.
Ильинский Н. Ф.
Цель диссертационной работы — снижение потерь электроэнергии в асинхронных электроприводах и электрических сетях 0,4 кВ путем повышения коэффициента мощности, электрического и энергетического КПД. Для достижения поставленной цели решаются следующие главные задачи:
1. Разработка энергосберегающего асинхронного двигателя (ЭАД) для насосного агрегата и методики электромагнитного расчета, обеспечивающего его создание.
2. Разработка методики расчета электропотребления и оценки энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе применения ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД.
Насосные агрегаты пожарных АЦ (автоцистерн) и АНР (автомобиля насосно-рукавного)
... насосов. насос кавитация струйный работа 1. Виды насосов и их классификация Основным специальным агрегатом пожарных автомобилей являются пожарные насосы, ... важный физический фактор, учитываемый при проектировании насосных установок. Это гидравлические пустоты в ... проявляется в увеличении потребляемой мощности и снижении кавитационного эффекта насоса. Вероятные признаки предварительного завихрения ...
3. Моделирование электропотребления электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД.
4. Экспериментальное исследование электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались, теория электрических цепейтеория электрических машинтеория электроприводаметоды компьютерного моделированияматематические методы обработки информацииметоды цифровой обработки аналоговых сигналовметоды экспертных оценокметоды эквивалентирования электрических нагрузокэкспериментальные методыспециальное программное обеспечение.
Научная новизна работы:
1. Теоретически обоснованы: электрическая схема замещения ЭАД с двумя обмотками на статореполучены зависимости для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора, отличающиеся от известных учетом токов и числа витков обеих обмоток статораполучены зависимости для определения емкости компенсирующего конденсатора ЭАД, отличающиеся от известной возможностью ее расчета в функции от параметров обмоток статора ЭАД, от коэффициентов изменения сопротивления намагничивающего контура, от частоты тока источника питания, от полезной нагрузки, приложенной к валу двигателя и их комбинаций.
2. Разработаны методики электромагнитного расчета новых ЭАД с двумя трехфазными обмотками на статоре и пересчета ТАД в ЭАД. Они базируются на известном методе электромагнитного расчета ТАД, но отличаются от него новым критерием расчета — получения двигателя с максимальным энергетическим КПД (r|3n= r|Hcos (pH—ялах).
3. Разработаны математические модели и методика определения электропотребления и показателей энергоэффективности насосных агрегатов, отличающиеся от известной методики тем, что кроме напорно-расходных и других характеристик насоса и трубопровода, учитывают электрические параметры ЭАД или ТАД, источников питания (ПЧ) и системы электроснабжения насосной станции и применима для оперативного управления энергоэффективностью транспортирования жидкости.
4. Теоретически и экспериментально доказаны возможность и энергоэффективность применения ЭАД, обладающего cos (p=l, 0, в нерегулируемых и регулируемых от ПЧ электроприводах насосных агрегатов.
Практическая значимость работы:
1) Разработанные методики электромагнитного расчета новых ЭАД и пересчета ТАД в ЭАД дают возможность определять оптимальные соотношения числа витков, диаметров обмоточных проводов, емкости компенсирующего конденсатора, что позволяет создавать энергоэффективные асинхронные двигатели, обладающими энергосберегающими рабочими и механическими характеристиками, для насосных агрегатов и других механизмов как на электромашиностроительных заводах, так и на электроремонтных предприятиях.
2) Разработанные математические модели и методика расчета электропотребления и показателей энергоэффективности насосных агрегатов позволяют исследовать и организовать оперативное управление электропотреблением с учетом реальных параметров насосов, трубопроводов, электроприводов, системы электроснабжения, подачи и напора жидкости, а также способов их регулирования.
Повышение теплозащитных качеств наружных ограждающих конструкций ...
... зданиях и сооружениях. Цель работы. Повышение теплозащитных качеств наружных ограждающих конструкций путём совершенствования методик расчета параметров ... году был утвержден СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02- ... плотности материала; Усовершенствована методика определения коэффициента теплопроводности теплоблока; Разработана методика энергосбережения на основе ...
3) Созданные экспериментальные электроприводы насосных агрегатов, реализованные на основе ЭАД и ПЧ-ЭАД обладают меньшими пусковыми токами в 1,281,5 раза, работают с coscp=l, 0, или с генерацией реактивной мощности емкостного характера, благодаря чему позволяют уменьшить удельный расход электрической энергии на транспортирование жидкости на 9−12%, полную потребляемую мощность на 13−17%. Каждый киловатт установленной мощности электроприводов на основе ЭАД экономит в год 300−750 кВтчас электроэнергии.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедрены: в ООО «Магнитогорские услуги» в виде инженерной методики, зависимостей и компьютерной программы для осуществления модернизации ТАД в ЭАДв МП трест «Водоканал» г. Магнитогорска в виде математических моделей и методики определения электропотребления насосными агрегатами для оптимизации их режимов работыв МП трест «Теплофикация» г. Магнитогорска в виде электроприводов на основе ЭАД насосных агрегатов тепловых пунктов.
Обоснованность и достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается строгим выполнением математических преобразованийпринятием корректных допущенийподтверждением данных моделирования экспериментальными результатамиприменением современных математических моделей и пакетов программ.
Основные положения, выносимые на защиту («https:// «, 11).
1. Электрическая схема замещения ЭАД с двумя обмотками на статорезависимости для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора, отличающиеся от известных учетом токов и числа витков обеих обмоток статоразависимости для определения емкости компенсирующего конденсатора ЭАД, отличающиеся возможностями ее расчета в функции от соотношений параметров обмоток статора, параметров ветви намагничивающего контура, от частоты тока источника питания, от полезной мощности двигателя и их комбинаций.
2. Методики электромагнитного расчета новых ЭАД с двумя трехфазными обмотками на статоре и перерасчета ТАД в ЭАД, отличающиеся от известной методики новыми критерием расчета — получения двигателя с максимальным энергетическим КПД и последовательностью вычислительных действий, направленных на минимизацию реактивного тока и получение наибольших коэффициентов мощности и полезного действия двигателя путем определения оптимального соотношения МДС ферромагнитного сердечника и компенсационной обмотки статора.
3. Методика определения электропотребления и показателей энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов, отличающиеся учетом изменяющихся КПД насоса и электродвигателя, электрических параметров ЭАД и ТАД, параметров источников питания и системы электроснабжения насосной станции, возможностью исследования электропотребления насосными агрегатами, как при дроссельном ре.
КПД насоса и электродвигателя, электрических параметров ЭАД и ТАД, параметров источников питания и системы электроснабжения насосной станции, возможностью исследования электропотребления насосными агрегатами, как при дроссельном регулировании, так и при различных отношениях выходных параметров (U/f) частотного регулирования для различных емкостей компенсирующих конденсаторов ЭАД и использования для оперативного управления энергоэффективностью.
Электрооборудование и работа насосной установки с задвижкой
... пусковой момент. Насосы относятся к числу механизмов с продолжительным режимом работы и постоянной нагрузкой. При отсутствии электрического регулирования скорости в насосных агрегатах небольшой мощности обычно применяют ... выбор коммутационной аппаратуры 1.2.1 Выбор магнитных пускателей Выбор магнитных осуществляется по номинальному току главных контактов и напряжению коммутируемой цепи. U н = Uн . с ...
4. Экспериментальные данные, подтверждающие энергосберегающие свойства электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 15 международных научно-технических конференциях, симпозиумах, выставках-конгрессах, в том числе: на V, VII Международных симпозиумах «ЭЛМАШ-2004, 2009», МоскваX, XVI международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов, Москва, 2004, 2010; Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2005 г.- Международной выставке-конгрессе. Высокие технологии. Инновации. Инвестиции, Санкт-Петербург, 2006 г.- V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Санкт-Петербург, 2007 г.- XII Международной конференции «Электромеханика, электротехнология, электротехнические материалы и компоненты», Крым, Алушта, 2008 г.- Международной конференции «Электроэнергетика и автоматизация в металлургии и машиностроении», Магнитогорск, 2008 г.- Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективности и энергобезопасность производственных процессов», Тольятти, 2009 г. и других.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных статей, докладов и тезисов, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 190 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 103 наименований, приложений, включает 69 рисунков и 10 таблиц.
ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ.
1. Проанализированы варианты электроприводов насосных агрегатов, способы и технические решения, направленные на повышение энергоэффективности транспортирования жидкости. Показано, что в основе всех известных электроприводов насосных агрегатов применяются традиционные асинхронные двигатели (ТАД), обладающие сравнительно невысокими энергетическими показателями (т|»=0,75-Ю, 91, costpH =0,7+0,9, Т|эн=0,52+0,82).
Известны энергосберегающие асинхронные двигатели (ЭАД) с повышенными энергетическими характеристиками (т|н=0,75-Ю, 91, costpH =1,0, г|Э11=0,75+0,91).
Однако опыт их изготовления и применения для насосных агрегатов отсутствует.
2. Теоретически обоснованы электрическая схема замещения ЭАДполучены зависимости для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора, для определения емкости компенсирующего конденсатора и разработаны методики электромагнитного расчета ЭАД и перерасчета ТАД в ЭАД, позволяющие создать энергосберегающие асинхронные двигатели.
3. Разработаны математические модели и методика определения электропотребления и показателей энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов, обеспечивающие возможность математического моделирования, оперативного учета и управления энергоэффективностью транспортирования жидкости.
4 Исследованы методом математического моделирования электропотребление, энергоэффективность электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД, ПЧ-ЭАД. Показано: электроприводы насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД, энергоэффективнее электроприводов насосных агрегатов на основе ТАД на 9,59,7%- среднее потребление тока нерегулируемыми электроприводами на основе ЭАД (34,68 А) ниже, чем среднее потребление тока электроприводами на основе ТАД (42,19 А) на 17%- среднее потребление тока регулируемыми электроприводами на основе ПЧ-ЭАД (16,46 А) ниже, чем среднее потребление тока электроприводами на основе ПЧ-ТАД (23,5 А) на 29%- снижение потребляемых токов электроприводами на основе ЭАД позволяет разгрузить силовые трансформаторы насосных станций по току и реактивной мощностикаждый киловатт установленной мощности.
Модернизация силовой электрической части плавучей перекачивающей ...
... ток ограничен в пределах 300% от номинального. Определив затраты на модернизацию были рассчитаны расходы по содержанию в эксплуатации насосной станции ... насосными агрегатами 5. Разработка монтажной схемы электрической щитовой и пультов управления насосами 6. Расчёт характеристик насосной установки и её электропривода ... — Насосные агрегаты № Тип двигателя Частота вращения; Об/мин Мощность агрегата; кВт ...
ЭАД позволяет экономить электрической энергии: при дроссельном регулировании 956,3 кВтчпри частотном регулировании — 347,7 кВтч.
5 Разработаны, созданы и исследованы экспериментальные электроприводы насосных агрегатов на основе ЭАД, ПЧ-ЭАД с номинальными данными: Р2н=1,1 кВт, пн=2945 об/мин, U»=380/220 В, IH=2,0 A, coscp=l, 0, г|&bdquo-=92%- двигатель изготовлен путем реконструкции статора АД типа АИР 71В2 УЗ с номинальными данными Р2&bdquo-=1,1 кВт, п&bdquo-=2930 об/мин, U»=380/220 В, I»=2,4 A, coscp=0,84, г|н=88,5%.
6 Исследованы энергоэффективность экспериментальных электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД, которые показали: при прямом пуске нерегулируемых электроприводов насосных агрегатов пусковой ток ЭАД меньше пускового тока ТАД в 1,2−1,5 разаустановившийся ток электропривода на основе ЭАД меньше тока электропривода на основе ТАД на 30−50%- коэффициенты мощности электроприводов ЭАД cos (p3Afl=0,88, ТАД cos (pTAfl=l>0- полная потребляемая мощности ЭАД на 20−25% меньше полной потребляемой мощности ТАД.
7 Исследованы энергоэффективность экспериментальных электроприводов насосных агрегатов на основе ПЧ-ЭАД, которые показали: при пуске регулируемых электроприводов насосных агрегатов пусковой ток ПЧ-ЭАД меньше пускового тока ПЧ-ТАД в 1,2−1,25 разаустановившийся ток электропривода на основе ПЧ-ЭАД меньше тока электропривода на основе ПЧ-ТАД на 25%- коэффициенты мощности электроприводов ЭАД coscp3Afl=lA ТАД со8фтлд=0,88- полная потребляемая мощности ЭАД на 20−25% меньше полной потребляемой мощности ТАД.
7 Создан нерегулируемый электропривод насосного агрегата для теплового пункта треста «Теплофикация» г. Магнитогорска на основе ЭАД с номинальными данными: Р2&bdquo-=22,0 кВт, пн=2920 об/мин, U»=380/220 В, IH=36,2 A, cosq>=l, 0, г|н=92%- двигатель создан методом реконструкции асинхронного двигателя АИР 180S2 УЗ с номинальными данными: Р2&bdquo-=22,0 кВт, пн=2900 об/мин, UH=380/220 В, 1н=41,6 А, coscp=0,91, г|н=88%.
8 Результаты диссертационной работы внедрены: в ЭРЦ ОАО «ММК-Метиз» — в МП трест «Водоканал», в МП трест «Теплофикация» г. Магнитогорска. Полученная экономия электрической энергии 20 тыс. кВт-час для одного электропривода насосного агрегата. Зарегистрированы две компьютерные программы, реализующие методики электромагнитного расчета ЭАД.
