Рефотека.ру / Коммуникации и связь

Курсовая работа: Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности

Министерство образования Российской Федерации

Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова

Кафедра «Системы автоматизированного управления электроприводами»


Курсовой проект

по дисциплине

“Автоматизированный электропривод промышленных установок и технологических комплексов”

На тему: Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности.


Проверил:

профессор, к.т.н.

Ларионов Владимир Николаевич


Чебоксары, 2005

Содержание


1. Введение

2. Построение характеристик насоса для скоростей, отличных от номинальной и характеристики магистрали

3. Расчет и выбор электродвигателя и асинхронно-вентильного каскада

4. Расчет и построение механических характеристик .

5. Расчет потерь скольжения, потерь в асинхронно-вентильном каскаде и потерь в роторе

6. Расчет мощности, потребляемой из сети приводом при регулировании задвижкой и с помощью асинхронно-вентильного каскада .

7. Список использованной литературы

1. Введение


Современное промышленное и сельскохозяйственное производство, транспорт, коммунальное хозяйство, сферы жизнеобеспечения и быта связанны с использованием разнообразных технологических процессов, большинство из которых основано на применении рабочих машин и механизмов, разнообразие и число которых огромно. Там, где применяются технологические машины – используется электропривод. Практически все процессы, связанные с движением с использованием механической энергии, осуществляются электроприводам. Исключение составляют лишь некоторые транспортные и сельскохозяйственные машины (автомобили, тракторы и др.), но и в этой области перспективы использования электропривода стали вполне реальны.

Электропривод – главный потребитель электрической энергии. В развитых странах на долю электропривода приходится свыше 60% всей вырабатываемой электроэнергии.

Электроприводы различны по своим техническим характеристикам: по мощности, скорости вращения, конструктивному исполнению и другим. Мощность электроприводов прокатных станов, компрессоров газоперекачивающих станций и ряда других уникальных машин доходит до нескольких тысяч киловатт. Мощность электроприводов, используемых в различных приборах и устройствах автоматики, составляет несколько ватт. Диапазон мощности электроприводов очень широк. Также велик диапазон электроприводов по скорости вращения.

Большинство производственных рабочих машин и механизмов приводится в движение электрическими двигателями. Двигатель вместе с механическими устройствами (редукторы, трансмиссии, кривошипно-шатунные механизмы и др.), служащими для передачи движения рабочему органу машины, а также с устройствами управления и контроля образует электромеханическую систему, которая является энергетической, кинематической и кибернетической (в смысле управления) основой функционирования рабочих машин.

В более сложных технологических машинных комплексах (прокатные станы, экскаваторы, обрабатывающие центры и другие), где имеется несколько рабочих органов или технологически сопряженных рабочих машин, используется несколько электромеханических систем (электроприводов), которые в сочетании с электрическими системами распределения электроэнергии и общей системой управления образуют электромеханический комплекс.

Большие скорости обработки, высокая и стабильная точность выполнения технологических операций потребовали создания высокодинамичных электроприводов с автоматическим управлением. Стремление снизить материальные и энергетические затраты на выполнение технологических процессов обусловило необходимость технологической и энергетической оптимизации процессов; эта задача также легла на электропривод. На этапе технического развития машинного производства, достигнутого к концу XX века, электромеханические комплексы и системы стали определять технологические возможности и технический уровень рабочих машин, механизмов и технологических установок.

Создание современных электроприводов базируется на использовании новейших достижений силовой электротехники, механики, автоматики, микроэлектроники и компьютерной техники. Это быстро развивающиеся области науки, что определяет высокую динамичность развития электромеханических систем.

В последние годы с появлением доступных технических средств для регулирования скорости асинхронных двигателей для привода насосов в системах тепло- и водоснабжения стали применятся регулируемые электроприводы.

Электропривод насоса выполняет две функции: преобразует электрическую энергию в механическую, необходимую для подачи воды потребителю, и управляет работой установки таким образом, чтобы поддерживать требуемую величину напора и расхода воды.

Автоматизированный электропривод получил в последние десятилетия интенсивное ускоренное развитие. Это определяется, в первую очередь, общим прогрессом машиностроения, направленным на интенсификацию производственных процессов, их автоматизацию, повышение точностных характеристик и других технических требований, связанных с обеспечением стабильности качества производимой продукции.

Вторым обстоятельством, обусловившим развитие электропривода, явилось распространение его применения не только на промышленное производство, но и на другие сферы, определяющие жизнедеятельность человека: сельское хозяйство, транспорт, медицину, электробытовые установки и др.

Третья причина связана с наметившимся переходом от экстенсивного развития производства электрической энергии к более эффективному ее использованию. Повышение эффективности электромеханического использования электроэнергии всецело зависит от совершенствования электропривода.

2. Построение характеристик насоса для скоростей, отличных от номинальной и характеристики магистрали


Исходные данные:

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности (η,4*%)

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности

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


Производительность и напор находятся по формулам:


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности, Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности. (2.1)


Номинальные значения производительности Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности и напора Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности соответствуют значениям на характеристике насоса для номинальной скорости.

Рассчитаем характеристику насоса для различных скоростей по формулам 2.1. Результаты занесем в таблицу 2.1.

Далее рассчитаем характеристику магистрали по двум точкам. По заданию известно, что статический напор Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностим. Также известно, что при Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности м3/ч напор Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностим. Известно, что:


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности (2.2)


Определим Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности. Из формулы (2.2) имеем:


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности,


Получим:


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности.


Тогда зависимость Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности для магистрали выражается формулой:


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности (2.3)


Используя формулу (2.3) рассчитаем несколько точек магистрали. Результаты занесем в таблицу 2.2.


Таблица 2.1.

Точка 1 2 3

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности

Q,м3/ч 900 3000 4800

Н, м 20 17 12

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности

Q,м3/ч 630 2100 3360

Н, м 9,8 8,33 5,88

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности

Q,м3/ч 720 2400 3840

Н, м 12,8 10,88 7,68

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности

Q,м3/ч 810 2700 4320

Н, м 16,2 13,77 9,72

Таблица 2.2.

Q,м3/ч 0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Н, м 8 8.495 9.98 12.455 15.92 20.375 25.82

По точкам из таблиц 2.1 и 2.2 построим семейство характеристик насоса для скоростей от ωН до 0,7ωН и характеристику магистрали (рис.2.2).


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности

Рис. 2.2 Характеристики насоса для скоростей отличных от номинальной и характеристика магистрали.


3. Расчет и выбор электродвигателя и преобразователя частоты


Мощность насоса в кВт в рабочей точке определяется по формуле:


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности, (3.1)


где НН [м], QH [м3/ч] и ηН - значения напора, производительности и КПД, соответствующие точке пересечения характеристики насоса и магистрали;

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности - плотность перекачиваемой среды в кг/м3;

Получим:


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности кВт.


Двигатель выбираем исходя из условия:


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности


Выберем двигатель серии АК с фазным ротором:

Тип двигателя – АК12-42-10 УХЛ4

Синхронная частота вращения – nН=600 об/мин.

Номинальная мощность – РН=200 кВт.

Напряжение статора – U1л=6000 В.

Напряжение ротора – Е2к=500 В.

Ток ротора – I2=270 А.

Номинальный КПД – h H=91,0 %.

Номинальное скольжение 2.5%

Номинальный cosφ – cosφн =0.79

Отношение максимального момента к номинальному – ММАХ/ ММIN=2.4.

Электродвигатели переменного тока с фазным ротором серии АК предназначены для привода механизмов:

– требующих регулирования частоты вращения (ленточных конвейеров и др.);

– не требующих регулирования частоты вращения, но с тяжелыми условиями пуска (вентиляторов, цементных и угольных мельниц и др.)

Двигатели предназначены для работы от сети переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 6000 В. Номинальный режим работы — продолжительный (S1). Пуск двигателей серии АК осуществляется как вручную с помощью пускового реостата, так и автоматически с помощью магнитной станции. Пусковой реостат или магнитная станция по требованию заказчика могут поставляться комплектно с электродвигателем.

Двигатели допускают два пуска подряд из холодного состояния и один пуск из горячего состояния. Конструктивное исполнение двигателей по способу монтажа - горизонтальное, без фундаментной плиты, с двумя щитовыми подшипниками, с одним свободным концом вала для соединения с рабочим механизмом при помощи полумуфты. Двигатели выполняются защищенными. Предназначены для работы с самовентиляцией в закрытых помещениях с нормальной окружающей средой. Изоляционные материалы обмотки статора класса нагревостойкости не ниже «В».

Обмотка статора имеет шесть выводных концов, закрепленных на четырех изоляторах в коробке выводов. Схема соединения фаз — звезда.

Коробка выводов статора располагается с правой стороны, если смотреть на свободный конец вала (левое расположение указывается в заказе). Двигатели допускают правое и левое направления вращения. Изменение направления вращения осуществляется только из состояния покоя.

Структура условного обозначения:

АК — ХХ -ХХХ-Х-ХХХХ4

АК — асинхронный двигатель с фазным ротором

ХХ — габарит электродвигателя

ХХХ — полная длина сердечника статора в см

Х — число полюсов

ХХХХ — климатическое исполнение

4 — категория размещения

Степень защиты IP01

Форма исполнения 1M1001

Способ охлаждения IC01

Режим работы S1

Двигатели могут изготавливаться на напряжение 3000В.

Регулирование скорости двигателя осуществляется с помощью асинхронно-вентильного каскада.

Исходя из мощности двигателя выбираем АВК:

Тип АВК – ЭКА4-630-380.

Напряжение питания инвертора – UПИТ=380 В.

Номинальная мощность преобразователя – РН=500 кВт.

Номинальный фазный ток ротора – I2=435 А.

Рабочее линейное напряжение ротора – U2, ЛИН=680 В.

Электроприводы по схеме асинхронного вентильного каскада ЭКА-4 предназначены для регулирования скорости асинхронных электродвигателей с фазным ротором мощностью до 5000 кВт с отдачей энергии скольжения в питающую сеть и могут быть использованы для изменения производительности насосных агрегатов и поддержания давления на их выходе, а также в ряде других производственных механизмах с тяжелыми условиями пуска и частичным диапазоном регулирования скорости (дробилки, цементные вращающиеся печи и др.).

Электроприводы включают в себя тиристорно-диодный агрегат со сглаживающим дросселем и согласующим трансформатором (при питании агрегата от высоковольтной сети), блоки пусковых резисторов, станцию управления пуском и остановом электродвигателя, а также шкаф управления переключением на резервный электродвигатель и шкаф управления пуском резервного электродвигателя на пусковых резисторах.

Предусмотрено местное управление электродвигателями со станции управления и дистанционное – с пульта управления.

Электроприводы выполнены с применением микроконтроллеров серии PIC, имеют связь с ЭВМ высшего уровня по каналу RS 485.

Имеется защита роторных цепей электродвигателя от перенапряжений при исчезновении напряжения питания с высокой стороны.

Электроприводы позволяют:

существенно экономить электроэнергию;

избежать частых пусков электродвигателя при изменении подачи в замкнутых по уровню системах регулирования водоснабжения;

уменьшить эксплуатационные и капитальные затраты по сравнению с высоковольтными частотно-регулируемыми электроприводами, поскольку установленная мощность электрооборудования определяется диапазоном регулирования скорости.


4. Расчет и построение механических характеристик


Как известно, мощность насоса определяется по формуле:


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности; (4.1)


Разделив обе части этого равенства на скорость, получим выражения для момента в зависимости от скорости


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности; (4.2)


Используя полученную формулу, построим механическую характеристику насоса. Для этого находим по графику Q, H, η, соответствующие точке пересечения характеристики магистрали и характеристики насоса для одной из скоростей.


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностикНм,

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностис-1, а

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностиоб/мин.

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностикНм,

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностис-1.

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностикНм,

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностис-1.

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностикНм,

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностис-1.


Таким образом, статическая механическая характеристика насоса имеет вид, изображенный на рис.4.1.

Определим показатель степени k. Показатель степени k определим по формуле:


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности (4.3)

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности

Рис. 4.1 Статическая механическая характеристика насоса


Найдем из рис. 2.2 производительности и напоры, соответствующие двум разным скоростям, например Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностии Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности.


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностис-1;

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностим;

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностим3/ч;

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностис-1;

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностим;

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностим3/ч;


Подставляя полученные значения в формулу (4.3) получим:


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности.


Таким образом, статическая механическая характеристика насоса принимает вид:


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности, где

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностиНм.


Номинальный момент двигателя:


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностиНм.


Для построения семейства механических характеристик двигателя при регулировании скорости с помощью асинхронно-вентильного каскада будем использовать следующее выражение:


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности,


Где Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности - скольжение холостого хода;

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности- индуктивное сопротивление рассеяния фазы двигателя, приведенной к обмотке ротора;

Принебрегая активным сопротивлением статора, т.е. полагая Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности, что допустимо для двигателей большой мощности получим:


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности, (4.4)


где Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности. Здесь Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности- активное сопротивление ротора.

Найдем сопротивление ротора по формуле:


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности Ом, где

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности кВт.


Найдем индуктивное сопротивление рассеяния фазы двигателя, приведенной к обмотке ротора Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности из формулы:

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности,

Т.к. Мmax/ Мн=2.4, то Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностиНм.

Тогда Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительностиОм.

Тогда Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности.


Меняя в формуле (4.4) Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности, строим регулировочные характеристики при регулировании с помощью АВК.


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности

Рис 4.2 Регулировочные характеристики при регулировании с помощью АВК и статическая механическая характеристика насоса.

5. Расчет потерь скольжения, потерь в асинхронно-вентильном каскаде и потерь в роторе


Потери в роторе определяются из выражения


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности.


Известно, что на линейном участке механической характеристики асинхронного двигателя, момент прямо пропорционален току ротора, тогда из выражения


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности


следует, что


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности.


В этом случае, формула для потерей в роторе принимает вид


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности.


Потери скольжения определяются как


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности Или

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности.


Потери в асинхронно-вентильном каскаде определяются как


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности.


Подставляя в это выражение Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности и Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности, получим


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности,


где Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности.

Тогда потери в АВК определятся по формуле:


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности

Рис 5.1 Потери скольжения, потери в роторе и в АВК


6. Расчет мощности, потребляемой из сети приводом при регулировании задвижкой и с помощью асинхронно- вентильного каскада


Мощность, потребляемая асинхронным двигателем из сети, определяется как


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности.


Для построения графика зависимости Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности находим на характеристике насоса (рис.2.1) при номинальной скорости двигателя напор и КПД, соответствующие заданной производительности и подставляем в приведенную выше формулу. Далее из рис.2.1 и 2.2 находим напор и КПД для работы при других скоростях. Таким образом, получим несколько точек искомой зависимости (табл.6.1), по которым и построим график зависимости мощности, потребляемой асинхронным двигателем от производительности насоса (рис.6.1).

При работе с номинальной скоростью получим


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности, Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности, Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности, тогда

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности кВт.


Таблица 6.1.

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности

2250 1825 1425 825

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности

18 14.8 12 9.5

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности

0.68 0.6 0.47 0.33

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности

177.99 134.53 108.73 70.98

Мощность, потребляемая из сети, определяется как


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности.


При регулировании скорости с помощью АВК часть энергии скольжения теряется в роторе и в АВК, а часть возвращается обратно в сеть.

Найдем мощность, возвращаемую в сеть:


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности.


Таким образом, с учетом отдачи части энергии скольжения обратно в сеть, мощность, потребляемая из сети, определится как


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности.


Т.к. скорость двигателя прямо пропорциональна производительности


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности,


тогда подставив это равенство в выражение для мощности, потребляемой из сети, получим


Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности.

Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способов регулирования производительности

Рис. 6.1. Зависимость мощности, потребляемой из сети приводом при регулировании задвижкой и с помощью асинхронно-вентильного каскада, от производительности


Таким образом, при регулировании производительности насоса с помощью АВК имеется значительный выигрыш электроэнергии по сравнению с регулированием задвижкой.


7. Список использованной литературы


Соколов М.М. «Автоматизированный электропривод общепромышленных механизмов» М.:Энергия, 1976 г.

Ключев В.И. «Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов» М.:Энегрия, 1980 г.

Конспект лекций.

Рефотека ру refoteka@gmail.com