Электропривод насосных установок

Курсовая работа

Электропривод используется в системах автоматизированного управления (САУ) насосных установок, чтобы с его помощью привести в соответствие режим работы насосов с режимом работы обслуживаемой системы подачи жидкости, например, водопроводной или канализационной сети города или промышленного предприятия.

Водопотребление и, соответственно, сток загрязненных вод непрерывно изменяются во времени и в достаточно широком диапазоне (1/2 — 1/4).

Характер изменения водопотребления определяется случайно-вероятностными законами. Чтобы отслеживать эти изменения, необходимо непрерывно регулировать режим работы насосной установки.

Процесс регулирования осложняется несоответствием характеристик центробежных насосов и трубопроводов. Чтобы подать увеличенный расход воды по трубопроводу, напор на насосной станции надо увеличивать, а характеристики центробежных насосов таковы, что при увеличении подачи воды напор, развиваемый насосом, падает. В то же время при уменьшении подачи воды напор насоса следовало бы тоже уменьшить, а он увеличивается. Поэтому в периоды уменьшенного водопотребления системы водоснабжения работают с избыточным напором, который гасится в дросселирующих устройствах или в водоразборной арматуре у потребителя.

При этом энергия, потребляемая насосами, нерационально расходуется на создание избыточных напоров, под воздействием которых увеличиваются утечки и непроизводительные расходы воды, возникают повышенные механические напряжения в стенках труб.

Аналогичные явления имеют место в теплофикационных, оросительных и других системах. Несоответствие в режимах работы насосов и трубопроводов может быть устранено изменением частоты вращения насосов, которая должна регулироваться в соответствии с изменениями водопотребления или притока сточных вод. При уменьшении частоты вращения насоса уменьшается его подача воды и развиваемый им напор. При увеличении частоты вращения напор увеличивается одновременно с увеличением подачи воды.

Регулированием частоты вращения насоса его рабочие параметры приводятся в соответствие с режимом работы обслуживаемой системы. Чтобы изменить частоту вращения насоса, необходим регулируемый электропривод (РЭП).

Значение частоты вращения насоса, с которой он должен работать в тот или иной момент времени, определяется системой САУ насосной установки.

99 стр., 49026 слов

Установки погружных центробежных насосов (УЭЦН)

... засорение насосов и интенсивный износ рабочих агрегатов. В результате вибрации усиливаются, вода через торцевые уплотнения попадает в погружной двигатель, двигатель перегревается, что приводит к сбою работы УЭЦН. Условное обозначение установок: УЭЦН ...

Требуемое значение частоты вращения устанавливается в зависимости от многих факторов. К ним относятся: расход жидкости в системе, её уровень в резервуарах, значения статического и динамического противодавления, количество параллельно работающих насосов и насосных установок, подающих жидкость в систему, и т. д.

2. Электропривод насосных установок в геологоразведке

Обычно используются асинхронные короткозамкнутые двигатели, управляемые вручную или автоматически с применением контакторной аппаратуры, так как насосные установки работают в длительном режиме при постоянной нагрузке. На геологоразведочных работах насосы применяют для подачи буровых растворов в скважины, откачивая воды из скважин, водоотлива при проведении горно-разведочных выработок. Разнообразие условий применения насосов и их конструкций обусловливает определенные требования к электроприводу. Если для буровых насосов и насосов водоотлива применяются двигатели в горизонтальном исполнении, то для скважинных погружных насосов — в вертикальном исполнении с минимальными поперечными размерами, высококачественной изоляцией, что позволяет размещать их в скважине. Для погружных насосов типов ЭЦНВ, АП, ЭПЛ используются электродвигатели мощностью от 0,37 до 500кВт с частотой вращения 2800-2960 об/мин.

Для артезианских (АТН) и подвесных проходческих (ППН) насосов, работающих в вертикальном положении, применяются электродвигатели вертикального исполнения с полым валом со специальными радиально-упорными подшипниками для восприятия осевой нагрузки. Специально для таких установок выпускают электродвигатели типов АВШ, ДАМВШ полностью до 150кВт.

Схема автоматического управления насосной установки

Двигатели обычно запускают непосредственным включением в сеть закрытой задвижке. Мощность двигателя в период пуска составляет 30-40% номинальной. При недостаточной мощности энергоисточника электродвигатели насосов запускаются через трансформатор. На водоотливных установках наиболее просто может быть осуществлена автоматизация, что в значительной степени удешевляет эксплуатационные расходы. Простейшей аппаратурой автоматизации, предназначенной для водоотлива одним насосом, является АВ-5. В ее комплект входят взрывобезопасные реле уровня воды, пускатель или магнитная станция. Насосная установка с аппаратурой автоматизации АВ-5М работает по схеме, показанной на рис1. При повышении уровня воды в водосборнике поплавковое реле замыкает контакт нижнего уровня SL1, а затем — верхнего уровня SL2. Срабатывает промежуточное реле пускателя KA1, замыкающее контакт в цепи катушки K. Катушка K включает свои контакты в силовой цепи насоса. Размыкание контакта SL2 при снижении уровня воды в водосборнике не приводит к отключению, так как он шунтирован блок-контактом K в цепи пускателя. Насос работает до тех пор, пока при понижении уровня воды не разомкнет контакт нижнего уровня SL1, отключающий через промежуточное реле магнитный пускатель.

Подобный принцип автоматизации водоотлива заложен в аппаратах АВ-7, АВО-3. Аналогично выполняются автоматическое управление погружными насосами при использовании их для водоснабжения. В этом случае насос включается и выключается при достижении соответственно нижнего и верхнего уровней воды в приемном резервуаре. Наиболее распространенные системы автоматического управления погружными насосами — станции управления типа ПЭТ, комплектуемые с насосами ЭЦНВ (мощность двигателя 2,5-65кВт).

7 стр., 3080 слов

Регулирование скорости (частоты вращения) асинхронного двигателя

... может рассматриваться, как основа для построения систем регулируемого электропривода. 2. Частотное регулирование асинхронных электроприводов Принципиальная возможность регулирования угловой скорости асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения вытекает из формулы ω = 2πf 1 (1 ...

Такая станция обеспечивает защиту от перегрузки электродвигателя, отключение насоса при исчезновении воды в скважине, включение насоса при снижении уровня воды в приемном резервуаре. Станция управления представляет собой шкаф в защищенном исполнении, где размещается аппаратура.

3. Способы регулирования скорости асинхронного двигателя

Способы регулирования скорости асинхронного электропривода можно определить на основании анализа уравнения механической характеристики двигателя:

  • Uф — фазное напряжение сети;
  • приведённое к статору сопротивление роторной цепи;
  • = — сопротивления обмотки ротора и реостата ;
  • R1 — сопротивление обмотки статора;
  • щ0 = — угловая скорость поля статора;
  • f1 — частота сети;
  • р — число пар полюсов;
  • S = — скольжение;
  • щ — угловая скорость ротора;
  • хк — реактивное сопротивление короткого замыкания.

Из формулы следует, что регулировать скорость асинхронного электропривода электрическим путём можно изменением числа пар полюсов р, введением реостата в цепь ротора (Rp2), изменением напряжения, приложенного к статорной обмотке и изменением частоты питающей сети.

Изменением числа пар полюсов обеспечивается ступенчатое регулирование синхронной угловой скорости двигателя щ0.

Преимущество данного способа — экономичность

Недостаток:

Cтупенчатое управление скоростью двигателя. Перегрузочная способность двигателя пропорциональна числу полюсов при заданной величине индукции. Для получения заданной перегрузочной способности необходимо подбирать соотношения обмоток, что достигается изменением фазного напряжения (соединение обмоток звездой или треугольником) или числа витков (путем соединения отдельных частей обмоток последовательно или параллельно).

С целью получения одинаковой перегрузочной способности при разном числе р применяются либо отдельные обмотки, либо полюсно переключаемые обмотки статора с двойной звезды на треугольник или с двойной звезды на звезду. Максимальный диапазон регулирования, обеспечиваемый переключением числа пар полюсов, составляет 6: 1 при использовании независимых обмоток.

Регулирование скорости введением реостата в цепь ротора.

При данном способе регулирования вся энергия скольжения выделяется в виде потерь в цепи электродвигателя. Потери мощности в реостате при этом составят ДР = Рэ·S, где Рэ — электромагнитная мощность. Отсюда видно, что потери мощности в двигателе пропорциональны относительному перепаду угловой скорости. Недостатком этого способа является также уменьшение стабильности скорости при ее снижении, относительно малый диапазон регулирования (2:1), ступенчатость.

Регулирование скорости изменением напряжения, приложенного к статорной обмотке. Система «преобразователь напряжения — двигатель»

Одним из возможных способов изменения скорости АД является изменение напряжения на выводах его статора, при этом частота такого напряжения постоянна и равна частоте сети переменного тока. Между выводами питающей сети и статора АД включен преобразователь напряжения, при использовании которого изменяться напряжение, подводимое к статору АД.

19 стр., 9240 слов

Системы регулирования частоты вращения генераторных агрегатов

... с генератором, устанавливают регулятор, который может поддерживать один скоростной режим в пределах допустимого изменения частоты вращения Дn. Дизель-генератор и регулятор частоты вращения образуют замкнутую систему автоматического регулирования, которая обеспечивает автоматическое поддержание частоты вращения коленчатого ...

Недостатком такого регулирования является резкое снижение критического момента по мере уменьшения напряжения на обмотке статора АД.

Регулирование скорости вращения АД изменением частоты питающего напряжения.

Частотный способ является одним из наиболее перспективных и широко используемых в настоящее время способов регулирования скорости АД. Принцип его заключается в том, что, изменяя частоту f питающего АД напряжения, можно в соответствии с выражением (щ0=2рf1/p изменять его синхронную скорость щ0, получая тем самым различные искусственные характеристики. Этот способ обеспечивает плавное регулирование в широком диапазоне, получаемые характеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ к тому же отличается и еще одним весьма важным свойством: при регулировании скорости АД не происходит увеличения его скольжения, как это имеет место, например, при реостатном регулировании; Поэтому при этом способе регулирования потери скольжения, определяемые по (1.3), оказываются небольшими, в связи с чем частотный способ наиболее экономичен.

ДР2 = Р1 — Р2 = М·щ0 — М·щ = М·щ0·s = Р1·s

Для лучшего использования АД и получения высоких энергетических показателей его работы — коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности — одновременно с изменением частоты питающего напряжения необходимо изменять и значение этого напряжения. Закон изменения напряжения при этом зависит от характера момента нагрузки.

При выборе соотношения между частотой и напряжением, подводимым к статору АД, часто исходят из условия сохранения его перегрузочной способности л, которая определяется отношением критического момента двигателя Мк к моменту нагрузки Мс:

л = Мк / Мс = const

Если пренебречь активным сопротивлением статора и учесть, что хк ~ f1 и щ0 ~ f1, то согласно выражению:

Мк = 3Uф2 / (щ0 хк)

можно записать (1.5) как:

л = = const

где:

А — постоянная, не зависящая от f1.

Из (1.5) следует, что для любых значений частоты f1i и f1к должно соблюдаться следующее соотношение:

где:

Мсi, Мск — моменты нагрузки при скоростях АД, соответствующих частотам f1i и f1к.

Отсюда следует основной закон изменения напряжения при частотном способе регулирования скорости АД:

С помощью выражения (1.7) могут быть получены частные законы изменения напряжения и частоты при различных зависимостях момента нагрузки Мс от скорости.

При постоянном моменте нагрузки Мс = const, при этом согласно (1.7), т.е. напряжение на статоре должно изменяться пропорционально его частоте.

Для вентиляторного характера момента нагрузки соотношение (1.7) имеет вид (1.9), а при моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости, запишется в виде (1.11):

Uф / f1 = const

Uф / f12 = const

= const

На рисунке 1.6 приведены механические характеристики АД при частотном регулировании скорости с выполнением соотношения (1.9), где график 1 — U=Uн, f=1.3fн; 2 — U=Uн, f=fн; 3 — U=0.65Uн, f=0.65fн; 4 — U=0.3Uн, f=0.3fн.

Для частот ниже номинальной (fi < fном) критический момент АД постоянен, что обеспечивает неизменную перегрузочную способность двигателя.

Механические характеристики двигателя при частотном регулировании скорости

17 стр., 8026 слов

Электродвигатели переменного тока общего назначения

... электродвигатели переменного тока имеют огромное значение для большинства видов промышленности. Электрические двигатели переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные двигатели. Синхронные электрические двигатели – такие двигатели, скорость вращения которых находится в постоянном отношении к частоте ... токами, напряжения, мощностью, скоростью вращения и другими. Электрический двигатель ...

При частотах выше номинальной (fi > fном), когда по техническим условиям напряжение на статоре не может быть повышено сверх номинального, критический момент АД снижается.

Необходимым элементом привода является преобразователь частоты (и напряжения), на вход которого подаётся стандартное напряжение сети U1 (220, 380 В и т.д.) промышленной частоты f1 = 50 Гц, а с его выхода снимается переменное напряжение Uрег регулируемой частоты fрег, значения которых находятся между собой в определённых соотношениях, определяемых формулами (1.9 — 1.11) регулирование выходной часты и напряжения преобразователя осуществляется с помощью управляющего сигнала, изменение которого определяет в конечном итоге изменение скорости АД.

4. Частотно-регулируемый электропривод насосных установок

Режимы работы центробежных насосов энергетически наиболее эффективно регулировать путем изменения частоты вращения их рабочих колес. Частота вращения рабочих колес может быть изменена, если в качестве приводного двигателя используются регулируемый электропривод.

Устройство и характеристики газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания таковы, что они могут обеспечить изменение частоты вращения в необходимом диапазоне.

Процесс регулирования частоты вращения любого механизма удобно анализировать с помощью механических характеристик агрегата.

Рассмотрим механические характеристики насосного агрегата, состоящего из насоса и электродвигателя. На рис. 1 представлены механические характеристики центробежного насоса, оборудованного обратным затвором (кривая 1) и электродвигателя с короткозамкнутым ротором (кривая 2).

Разница значений вращающего момента электродвигателя и момента сопротивления насоса называется динамическим моментом. Если вращающий момент двигателя больше момента сопротивления насоса, динамический момент считается положительным, если меньше — отрицательным.

Под воздействием положительного динамического момента насосный агрегат начинает работать с ускорением, т.е. разгоняется. Если динамический момент отрицательный, насосный агрегат работает с замедлением, т.е. тормозится.

При равенстве этих моментов имеет место, установившийся режим работы, т.е. насосный агрегат работает с постоянной частотой вращения. Эта частота вращения и соответствующий ей момент определяются пересечением механических характеристик электродвигателя и насоса (точка А на рис. 1).

Если в процессе регулирования тем или иным способом изменить механическую характеристику, например, сделать ее более мягкой за счет введения дополнительного резистора в роторную цепь электродвигателя (кривая 3 на рис. 1), момент вращения электродвигателя станет меньше момента сопротивления.

Под воздействием отрицательного динамического момента насосный агрегат начинает работать с замедлением, т.е. тормозится до тех пор, пока вращающий момент и момент сопротивления опять не уравновесятся (точка б на рис. 1).

Этой точке соответствует своя частота вращения и свое значение момента.

Таким образом, процесс регулирования частоты вращения насосного агрегата непрерывно сопровождается изменениями вращающего момента электродвигателя и момента сопротивления насоса.

Регулирование частоты вращения насоса может осуществляться или изменением частоты вращения электродвигателя, жестко соединенного с насосом, или изменением передаточного отношения трансмиссии, соединяющей насос с электродвигателем, который работает с постоянной скоростью.

25 стр., 12148 слов

Установки винтовых насосов для добычи нефти

... винтовые насосы, используемых в нефтегазовой отрасли с погружным и поверхностным электродвигателем. 1 ВИНТОВЫЕ НАСОСЫ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ 1.1 Общие сведения о винтовых насосах Винтовой насос ... и снижение частоты вращения. Это объясняется тем, что винтовой механизм ... сложность прогнозирования и управления процессом. Условия залегания ... подводится к погружному электродвигателю насосного агрегата [4]. 1 ...

Рис 1 Механические характеристики насосного агрегата

4.1 Регулирование частоты вращения электродвигателей

В насосных установках используются преимущественно двигатели переменного тока. Частота вращения электродвигателя переменного тока зависит от частоты питающего тока f, числа пар полюсов р и скольжения s. Изменив один или несколько из этих параметров можно изменить частоту вращения электродвигателя и сочлененного с ним насоса.

Основным элементом частотного электропривода является частотный преобразователь. В преобразователе постоянная частота питающей сети f1 преобразуется в переменную f2. Пропорционально частоте f2 изменяется частота вращения электродвигателя, подключенного к выходу преобразователя.

С помощью частотного преобразователя практически неизменные сетевые параметры напряжение U1 и частота f1 преобразуются в изменяемые параметры U2 и f2, требуемые для системы управления. Для обеспечения устойчивой работы электродвигателя, ограничения его перегрузки по току и магнитному потоку, поддержания высоких энергетических показателей в частотном преобразователе должно поддерживаться определенное соотношение между его входными и выходными параметрами, зависящее от вида механической характеристики насоса. Эти соотношения получаются из уравнения закона частотного регулирования.

Для насосов должно соблюдаться соотношение:

U1/f1 = U2/f2 = const

На рис. 2 представлены механические характеристики асинхронного электродвигателя при частотном регулировании. При уменьшении частоты f2 механическая характеристика не только меняет свое положение в координатах n — М, но несколько изменяет свою форму. В частности, снижается максимальный момент электродвигателя. Обусловлено это тем, что при соблюдении соотношения U1/f1 = U2/f2 = const и изменении частоты f1 не учитывается влияние активного сопротивления статора на величину вращающего момента двигателя.

Рис. 2 Механические характеристики частотного электропривода при максимальных (1) и пониженных (2) частотах

При частотном регулировании с учетом этого влияния максимальный момент остается неизменным, форма механической характеристики сохраняется, меняется только ее положение.

Частотные преобразователи с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) имеют высокие энергетические характеристики за счет того, что на выходе преобразователя обеспечивается форма кривых тока и напряжения, приближающаяся к синусоидальной. В последнее время наибольшее распространение получили частотные преобразователи на IGBT-модулях (биполярных транзисторах с изолированным затвором).

IGBT-модуль является высокоэффективным ключевым элементом. Он обладает малым падением напряжения, высокой скоростью и малой мощностью переключения. Преобразователь частоты на IGBT-модулях с ШИМ и векторным алгоритмом управления асинхронным электродвигателем имеет преимущества по сравнению с другими типами преобразователей. Он характеризуется высоким значением коэффициента мощности во всем диапазоне изменения выходной частоты.

Принципиальная схема преобразователя представлена на рис. 3.

15 стр., 7072 слов

Модернизация режимов работы насосных агрегатов дожимной насосной станции

... насосных станций осуществляется от двух подстанций 35/6 кВ. Система контроля и управления ДНС обеспечивает автоматическое включение и отключение насосов. На ДНС устанавливают три насосных агрегата, ... насосов осуществляется электродвигателями без регулирования частоты вращения. Территория дожимных насосных станций ... выбирается по наибольшему длительному току ВЛ. Допускается питание электроприемников ...

Рис 3 Схема частотного преобразователя на IGBT-модулях: 1 — блок вентиляторов; 2 — источник питания; 3 — выпрямитель неуправляемый; 4 — панель управления; 5 — плата пульта управления; 6 — ШИМ; 7 — блок преобразования напряжения; 8 — плата системы регулирования; 9 — драйверы; 10 — предохранители блока инвертора; 11 — датчики тока; 12 — асинхронный короткозамкнутый двигатель; Q1, Q2, Q3 — выключатели силовой цепи, цепи управления и блока вентиляторов; K1, К2 — контакторы заряда конденсаторов и силовой цепи; С — блок конденсаторов; Rl, R2, R3 — резисторы ограничения тока заряда конденсаторов, разряда конденсаторов и узла слива; VT — силовые ключи инвертора (IGBT-модули)

На выходе частотного преобразователя формируется кривая напряжения (тока), несколько отличающаяся от синусоиды, содержащая высшие гармонические составляющие. Их наличие влечет за собой увеличение потерь в электродвигателе. По этой причине при работе электропривода на частотах вращения, близких к номинальной, происходит перегрузка электродвигателя.

При работе на пониженных частотах вращения ухудшаются условия охлаждения самовентилируемых электродвигателей, применяемых в приводе насосов. В обычном диапазоне регулирования насосных агрегатов (1:2 или 1:3) это ухудшение условий вентиляции компенсируется существенным снижением нагрузки за счет уменьшения подачи и напора насоса.

При работе на частотах, близких к номинальному значению (50 Гц), ухудшение условий охлаждения в сочетании с появлением гармоник высших порядков требует снижения допустимой механической мощности на 8 — 15%. Из-за этого максимальный момент электродвигателя снижается на 1 — 2%, его КПД — на 1 — 4%, cosц — на 5 — 7%.

Во избежание перегрузки электродвигателя необходимо или ограничить верхнее значение его частоты вращения, или оснастить привод более мощным электродвигателем. Последняя мера обязательна тогда, когда предусматривается работа насосного агрегата с частотой f2>50 Гц. Ограничение верхнего значения частоты вращения двигателя осуществляется ограничением частоты f2 до 48 Гц. Увеличение номинальной мощности приводного электродвигателя осуществляется с округлением до ближайшего стандартного значения.

4.2 Групповое управление регулируемыми электроприводами агрегатов

Многие насосные установки состоят из нескольких агрегатов. Как правило, регулируемым электроприводом оборудуются не все агрегаты. Из двух-трех установленных агрегатов регулируемым электроприводом достаточно оснастить один. Если один преобразователь постоянно подключен к одному из агрегатов, имеет место неравномерное расходование их моторесурса, поскольку агрегат, оснащенный регулируемым приводом, используется в работе значительно большее время.

Для равномерного распределения нагрузки между всеми агрегатами, установленными на станции, разработаны станции группового управления, с помощью которых агрегаты могут поочередно подключаться к преобразователю. Станции управления изготавливаются обычно для низковольтных (380 В) агрегатов.

Обычно низковольтные станции управления предназначены для управления двумя-тремя агрегатами. В состав низковольтных станций управления входят автоматические выключатели, обеспечивающие защиту от межфазных коротких замыканий и замыканий на землю, тепловые реле для защиты агрегатов от перегрузки, а также аппаратура управления (ключи, кнопочные посты и пр.).

21 стр., 10077 слов

Выпускной квалификационной работы «Проектирование автоматизированного ...

... является актуальной. Объектом исследования является асинхронный двигатель насоса. Предметом исследования является математическая модель системы управления асинхронным двигателем. Цель работы: спроектировать автоматизированный электропривод насосной установки системы теплоснабжения Для реализации этой ...

Схема коммутации станции управления содержит в своем составе необходимые блокировки, позволяющие произвести подключение преобразователя частоты к любому выбранному агрегату и осуществить замену работающих агрегатов без нарушения технологического режима работы насосной или воздуходувной установки.

Станции управления, как правило, наряду с силовыми элементами (автоматическими выключателями, контакторами и т.п.) содержат в своем составе управляющие и регулирующие устройства (микропроцессорные контроллеры и пр.).

По требованию заказчика станции комплектуются устройствами автоматического включения резервного питания (АВР), коммерческого учета потребляемой электроэнергии, управления запорной аппаратурой.

При необходимости в состав станции управления вводятся дополнительные аппараты, обеспечивающие использование наряду с частотным преобразователем устройства плавного пуска агрегатов.

Автоматизированные станции управления обеспечивают:

  • поддержание заданного значения технологического параметра (давления, уровня, температуры и др.);
  • контроль режимов работы электродвигателей регулируемых и нерегулируемых агрегатов (контроль потребляемого тока, мощности) и их защиту;
  • автоматическое включение в работу резервного агрегата при аварии основного;
  • переключение агрегатов непосредственно на сеть при выходе из строя частотного преобразователя;
  • автоматическое включение резервного (АВР) электрического ввода;
  • автоматическое повторное включение (АПВ) станции после пропажи и глубоких посадок напряжения в питающей электрической сети;
  • автоматическое изменение режима работы станции с остановкой и запуском агрегатов в работу в заданное время;
  • автоматическое включение в работу дополнительно нерегулируемого агрегата, если регулируемый агрегат, выйдя на номинальную частоту вращения, не обеспечивал требуемой подачи воды;
  • автоматическое чередование работающих агрегатов через заданные промежутки времени для обеспечения равномерного расходования моторесурса;
  • оперативное управление режимом работы насосной (воздуходувной) установки с панели управления или с диспетчерского пульта.

Рис. 4 Станция группового управления частотно-регулируемыми электроприводами насосов

4.3 Эффективность применения частотно-регулируемого электропривода в насосных установках

Применение частотно-регулиремого привода позволяет существенно экономить электроэнергию, т. к. дает возможность использовать крупные насосные агрегаты в режиме малых подач. Благодаря этому можно, увеличив единичную мощность агрегатов, уменьшить их общее число, и следовательно уменьшить габаритные размеры зданий, упростить гидравлическую схему станции, уменьшить число трубопроводной арматуры.

Таким образом, применение регулируемого электропривода в насосных установках позволяет наряду с экономией электроэнергии и воды уменьшить число насосных агрегатов, упростить гидравлическую схему станции, уменьшить строительные объемы здания насосной станции. В связи с этим возникают вторичные экономические эффекты: уменьшаются расходы на отопление, освещение и ремонт здания, приведенные затраты в зависимости от назначения станций и других конкретных условий могут быть сокращены на 20 — 50%.

19 стр., 9086 слов

Дожимная насосная станция

... нефти центробежными насосами, а газа - под давлением сепарации. В зависимости от пропускной способности по жидкости существует несколько типов ДНС. Дожимная насосная станция состоит из ... емкость и насосный агрегат. Технологической схемой ДНС буферные емкости предназначены: для приема нефти в целях обеспечения равномерного поступления нефти к приему перекачивающих насосов; сепарация нефти ...

В технической документации на преобразователи частоты указывается, что применение регулируемого электропривода в насосных установках позволяет экономить до 50% энергии, расходуемой на перекачку чистых и сточных вод, а сроки окупаемости составляют три — девять месяцев.

Вместе с тем расчеты и анализ эффективности регулируемого электропривода в действующих насосных установках показывает, что в небольших насосных установках с агрегатами мощностью до 75 кВт, особенно тогда, когда они работают с большой статической составляющей напора, оказывается нецелесообразным применение регулируемых электроприводов. В этих случаях можно использовать более простые системы регулирования с применением дросселирования, изменения числа работающих насосных агрегатов.

Применение регулируемого электропривода в системах автоматизации насосных установок, с одной стороны, уменьшает потребление энергии, с другой — требует дополнительных капитальных затрат, поэтому целесообразность применения регулируемого электропривода в насосных установок определяется сравнением приведенных затрат двух вариантов: базового и нового. За новый вариант принимается насосная установка, оснащенная регулируемым электроприводом, а за базовый — установка, агрегаты которой работают с постоянной частотой вращения.

5. Регулируемый электропривод насосов

Автоматизированная система, позволяющая насосу работать с переменной угловой скоростью. Реагирование угловой скорости дает возможность привести режим работы насосной установки в соответствие с режимом водопотребления или водоотведения района обслуживания.

Регулируемый электропривод насосов состоит из электродвигателя, устройства, изменяющего угловую скорость электродвигателя, и аппаратуры управления. Иногда в состав регулируемого электропривода насосов входят ременная или зубчатая передача, гидравлическая или электрическая муфта скольжения и т.п. При этом регулирование угловой скорости насоса может осуществляться при постоянной угловой скорости электродвигателя за счет изменения передаточного отношения трансмиссии. В таких случаях регулируемый электропривод насосов дополняется устройством, изменяющим передаточное отношение трансмиссии.

Механические характеристики регулируемого электропривода в отличие от характеристик нерегулируемого «мягкие», т.е. изменяют свое положение и форму в процессе регулирования угловой скорости. Если при этом вращающий момент электропривода становится больше момента сопротивления насоса, то насосный агрегат начинает работать с ускорением до тех пор, пока эти моменты не уравновесятся и не наступит установившийся режим работы агрегата. Если в процессе регулирования вращающий момент электродвигателя станет меньше момента сопротивления насоса, то агрегат начнет работать с замедлением впредь до наступления установившегося режима работы.

Регулируемые электроприводы насосов подразделяют на две основные группы: постоянного и переменного тока. В насосных установках преимущественное распространение получили электродвигатели переменного тока. Регулируемые электроприводы насосов переменного тока бывают трех основных групп: частотные, с дополнительным сопротивлением в роторной цепи и с приводом на базе асинхронно-вентильного каскада.

Частотный регулируемый электропривод насосов состоит из асинхронного короткозамкнутого электродвигателя и тиристорного преобразоватетеля, в котором постоянная частота тока, питающего электрические сети, преобразуется в переменный. Пропорционально переменной частоте регулируется угловая скорость электродвигателя и сочлененного с ним насоса. Частотным регулируемым электроприводом насосов оснащают преимущественно низковольтные (380—660 В) насосные агрегаты мощностью до 400—1600 кВт. Частотные преобразователи подразделяют на два вида — со звеном постоянного тока и с непосредственной связью без звена постоянного тока. Чаще используют первые. Частотные преобразователи выполняют на базе автономных инверторов тока и напряжения, а также автономных инвенторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией, которые отличаются высокими энергетическими характеристиками.

Регулируемый электропривод насосов с дополнительным сопротивлением в роторной цепи состоит из асинхронного электродвигателя с фазным ротором и реостата. Плавное регулирование угловой скорости электродвигателя обеспечивается при использовании жидкостных реостатов. Наряду с ними применяют блоки резисторов, изготовленных из металлических сплавов, обладающих высоким удельным электрическим сопротивлением (константан, нейзильбер и т.п.).

Блоки резисторов включают в роторную цепь с помощью контакторов, обеспечивая при этом ступенчатое регулирование угловой скорости электродвигателя и сочлененного с ним насоса. Введение в роторную цепь дополнительного сопротивления влечет за собой потери энергии скольжения, которые выделяются в виде тепла в реостатах. Мощность потерь скольжения пропорциональна потребляемой насосом мощности. Для более экономичного регулирования угловой скорости в роторную цепь электродвигателя вводят встречную ЭДС. Привод по схеме асинхронно-вентильного каскада, в котором осуществляется этот принцип регулирования, состоит из электродвигателя с фазным ротором, преобразователя и вспомогательных устройств; пусковых резисторов, станции управления, согласующего трансформатора, сглаживающего дросселя.

Преобразователь асинхронно-вентильного каскада служит для введения встречной эдс и рекуперации энергии скольжения обратно в питающую сеть. Он состоит из неуправляемого вентиля и управляемого инвертора.

Специфика использования насосов в системах водоснабжения и водоотведения не требует регулирования угловой скорости в полном диапазоне. Благодаря тому, что насосы работают с противодавлением, обусловленным подъемом воды на высокие геодезические отметки поверхности земли и верхние этажи зданий, достаточно регулировать угловую скорость насосов на 20—50% ниже минимальных значений. Эта особенность позволяет использовать в приводе насосов сравнительно простые схемы асинхронно-вентильного каскада, обеспечивающие регулирование угловой скорости в узком диапазоне (до 50% номинального значения).

Особое место в ряду регулируемых электроприводов насосов переменного тока занимает привод на базе вентильного электродвигателя.

Вентильным электродвигателем называется электромеханическая система, состоящая из тиристорного преобразователя частоты, синхронного электродвигателя переменного тока и устройства, указывающего положение ротора электродвигателя в пространстве. Преобразователь выполняется с промежуточным звеном постоянного тока и состоит из управляемых выпрямителя и инвертора. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения в звено постоянного тока включаются сглаживающие дроссели.

По принципу действия вентильные электродвигатели аналогичны двигателю постоянного тока, у которого функции коллектора и щеточного аппарата выполняют тиристорный инвертор и устройство, указывающее положение ротора в пространстве. По этой причине вентильный электропривод иногда называется бесколлекторным электродвигателем постоянного тока. В то же время наличие в составе привода тиристорного частотного преобразователя позволяет отнести его к группе частотных электроприводов. Регулирование угловой скорости вентильного электродвигателя в регулируемом электроприводе насосов осуществляется изменением напряжения на выходе управляемого выпрямителя аналогично тому, как это делается в приводе постоянного тока. Регулируемый электропривод насосов на базе вентильного электродвигателя используют в приводе мощных (800—12000 кВт) высоковольтных насосных агрегатов, особенно часто — в вертикальных насосных агрегатах, где невозможно применение белее простых и дешевых регулируемых электроприводов, например, по схеме асинхронно-вентильного каскада, из-за отсутствия электродвигателей с фазным ротором в вертикальном исполнении.

Угловую скорость насосов при постоянной угловой скорости электродвигателей регулируют с помощью специальных устройств: механических вариаторов, гидравлических и электромагнитных муфт скольжения рамных типов. Наиболее часто в насосных агрегатах применяются регулируемые электроприводы насосов с электромагнитными муфтами скольжения индукторного типа. Они обычно используются в горизонтальных насосных агрегатах мощностью до 200—250 кВт.

Наряду с электромагнитными муфтами скольжения в регулируемых электроприводах насосов нашли применение гидравлические муфты скольжения (гидромуфты).

Они используются в ряде насосных установок, в частности в электроприводе мощных (2000-8000 кВт) питательных насосов теплоэлектроцентралей.

Регулируемый электропривод насосов оснащается один из двух-трех агрегатов насосной установки, при разнотипных насосах — наиболее мощные агрегаты. Режим работы насосной установки регулируют изменением угловой скорости регулируемых насосов в сочетании с изменением количества работающих нерегулируемых агрегатов.

Применение регулируемого электропривода насосов в системе АСУ насосной установки улучшает режим ее работы, делает его энергетически и экономически более выгодным: потребление энергии снижается на 5—15%, а в отдельных случаях на 20—25%; расход чистой воды снижается на 2—5% за счет снижения утечек и непроизводительных расходов воды; строительные объемы знаний насосных станций уменьшаются на 15— 20% вследствие увеличения единичной мощности насосных агрегатов и уменьшения их количества.

Наличие регулируемых электроприводов насосов снижает аварийность в системах водоподачи и водоотведения благодаря уменьшению количества включений и отключений насосного агрегата и более плавного характера изменений подачи воды и напоров в системе. Применение регулируемых электроприводов насосов в насосных установках благоприятно и с экологической точки зрения, так как способствует уменьшению поступления сточных вод в систему водоотведения за счет сокращения утечек и непроизводительных расходов воды. При правильно выбранных объектах внедрения применение регулируемых электроприводов насосов окупается в насосных установках систем водоподачи в 1—2 года, а в системах водоотведения в 3—4 года.

6. Заключение

На сегодняшний день управления насосными агрегатами позволяют в полной мере решать возложенные на них задачи. В будущем, с дальнейшим развитием силовой и микропроцессорной элементной базы, будут улучшаться такие эксплуатационные характеристики, как:

  • надежность и безотказность работы;
  • КПД;
  • массогабаритные показатели;
  • стоимость.

Кроме того, увеличение вычислительной мощности системы управления может позволить решить такие недоступные на сегодняшний день задачи, как использование гидравлической модели трубопровода. Это позволит поддерживать заданное давление в нужной точке трубопровода без размещения в ней датчика давления, а также производить расчет давления в любой дочке трубопровода.

7. Список литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/elektroprivod-nasosa/

1. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: Учебник для вузов / М.П. Белов, В.А. Новиков, Л.Н. Рассудов. 2-е изд., стер. М.: Издательский центр «Академия», 2004. 576 с.

2. Справочник оп автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева и В.А. Шинянского. М.: Энергоиздат, 1982.

3. Электрический привод: Учеб. Пособие для сред. Проф. Образования / Владимир Валентинович Москаленко. 2-е изд., стер. М.: Издательский центр «Академия», 2004. 368 с.

4. Теория электропривода (часть 1).

Методическое пособие для самостоятельной работы студентов. Кривой Рог 2002 г.