НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

КОРЕНЬКОВА ТЕТЯНА ВАЛЕРІЇВНА

УДК 62-83: 628.122

РАЦІОНАЛЬНИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД НАСОСНИХ СТАНЦІЙ

МІСЬКОГО ВОДОПОСТАЧАННЯ

Спеціальність 05.09.03 – Електротехнічні комплекси та системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі систем автоматичного управління та електроприводу Кременчуцького державного політехнічного університету.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент,

Луговий Анатолій Васильович,

проректор Кременчуцького державного політехнічного

університету з науки, економіки і міжнародних зв’язків,

завідувач кафедри комп’ютерних інформаційних систем, професор

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор,

Чермалих Валентин Михайлович,

завідувач кафедрою автоматизації управління електротехнічними комплексами інституту енергозбереження та енергоменеджмента Національного технічного університету України “КПІ”

кандидат технічних наук, доцент,

Осадчук Юрій Георгійович,

доцент кафедри автоматизованого електроприводу, декан електротехнічного факультету Криворізького технічного університету

Провідна установа - Донецький державний технічний університет

Захист відбудеться 15 жовтня 2001 р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради

К 26.002.20 при Національному технічному університеті України “КПІ” за адресою: 03056,

м. Київ-56, вул. Борщагівська, 115, корп. 22, ауд. 316.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ” (03056, м. Київ-56, пр. Перемоги, 37).

Автореферат розісланий 14 вересня 2001р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М.М. Федосенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У зв’язку з загостренням проблеми економії електроенергії в Україні розробка та впровадження раціональних, що забезпечують мінімальне споживання електроенергії, способів управління технологічними процесами має в наш час важливе народногосподарське значення.

Системи водопостачання належать до найбільш енергоємних об’єктів міського комунального господарства, де основними споживачами електроенергії є насосні установки (НУ). Електропривод НУ в більшості випадків являє собою нерегульований привід на базі асинхронних та синхронних електродвигунів переважно з незмінною швидкістю обертання робочого колеса. Насосні установки міського водопроводу належать до споживачів групового характеру, де кілька насосних агрегатів (НА) працюють на загальну гідравлічну мережу з протитиском. У системі водопостачання має місце необхідність регулювання продуктивності насосних агрегатів через мінливий характер водоспоживання. Основним методом регулювання продуктивності НУ в даний час найчастіше залишається або дроселювання напору засувкою, або зміна числа працюючих одночасно насосів. Обидва способи регулювання направлені на розв’язання технологічних задач та практично не торкаються енергетичних режимів роботи НУ. В результаті від 5 до 15%, а в деяких випадках до 25-30% спожитої енергії втрачається через створення надлишкових напорів в мережі, втрат енергії при дроселюванні, наявність втрат та непродуктивних витрат води в мережі та в споживача.

Значний економічний ефект може бути досягнутий за рахунок регулювання швидкості обертання робочого колеса насоса, що дозволить досягти економії електроенергії до 30% і води до 20%.

У зв'язку з великою вартістю перетворюючих пристроїв для частотного управління і з врахуванням особливостей роботи НУ групового характеру доцільною схемою регульованого ЕП може бути асинхронний привід з фазовим управлінням напругою на затискачах статора. Система тиристорний регулятор напруги – асинхронний двигун (ТРН-АД) забезпечує регулювання одиночного агрегату в певних межах, його запуск, а також почерговий запуск всіх інших приводів, що працюють паралельно з регульованим (незалежно від того, яким машинним устаткуванням вони оснащені – синхронним чи асинхронним). Основними перевагами такої системи ЕП є її простота, надійність, легкість автоматизації в загальній технологічній схемі. З врахуванням сказаного, при модернізації систем приводів міських водопровідних станцій варто орієнтуватися на оснащення їх одним пускорегулюючим агрегатом, серійно освоєним вітчизняною промисловістю. При цьому вартість тиристорних регуляторів у 2.53 рази нижча вартості відповідних перетворювачів частоти.

Значний внесок в розгляд проблеми електроприводу турбомеханізмів внесли роботи відомих учених: Г.Б.Онищенко, М.Г.Юнькова, В.М.Чермалиха, І.Я.Браславського, Б.С.Лезнова, Я.Н.Гінзбурга, В.Б.Чебанова та ін.

Однак, слід зауважити, що ще недостатньо вивчені питання, що стосуються режимів роботи асинхронних двигунів з насосами на валу при роботі на значний протитиск в схемах групового електроприводу.

У зв'язку з цим дослідження та аналіз системи ТРН-АД як альтернативної схеми регульованого ЕП насосних установок в умовах паралельної роботи НА, виконані в даній роботі, є дуже важливими та актуальними в сучасних економічних умовах.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні положення та результати роботи використані в держбюджетній НДР кафедри систем автоматичного управління та електроприводу Кременчуцького державного політехнічного університету за темою “Дослідження та розробка теорії енергозбереження та енергозберігаючого електромеханічного обладнання” (3Д/1999-АПП; №0199V004068) та внутрівузівській НДР за темою “Створення систем контролю та управління енергоспоживанням промислових, комунальних об’єктів і транспортних засобів” (46В/01-САУЕ).

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи - підвищення ефективності роботи насосних установок водопостачання за рахунок застосування раціональної системи електропривода, що враховує гідроенергетичні особливості паралельно працюючих агрегатів і вихідні технологічні параметри системи водопостачання.

Для досягнення мети поставлено та розв’язано наступні задачі:

-

-

-

-

-

-

-

Методи досліджень. Виконані дослідження базувались на фундаментальних положеннях: електродинаміки, теорії автоматизованого електроприводу, теорії автоматичного управління; апарату математичного аналізу, диференціального та інтегрального зчислення; стендових експериментальних дослідженнях та комп’ютерного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці рекомендацій та обґрунтуванні використання системи ТРН-АД як альтернативного приводу насосних установок; в розробці положень по вибору електрообладнання паралельно працюючих насосних агрегатів з метою використання в проектних рішеннях водопостачання міст та промислових об’єктів.

Результати роботи використані в проектах систем регульованого електроприводу АТ “Атом” для управління насосною установкою технологічного водопостачання Криворізького металургійного комбінату; в навчальному процесі Кременчуцького державного політехнічного університету при розробці стендового лабораторного обладнання за спеціальністю “Електромеханічні системи автоматизації та електропривод”. В дисертації наведені акти про впровадження результатів роботи.

Особистий внесок здобувача. В роботах [1, 2] виконано аналіз режимів роботи системи міського водопостачання протягом доби та розроблено імітаційну модель водопровідної мережі; в [3] – аналіз роботи НУ з дроселюванням напору засувкою та розрахунок спожитої потужності; в роботі [4] отримано залежність для визначення діапазону регулювання швидкості регульованого насосу при роботі НУ групового характеру з пологими напірно-витратними характеристиками; визначено межі регулювання продуктивності НА при зміні швидкості регульованого насосу та параметрів мережі; в [5] – залежність для визначення діапазону регулювання швидкості регульованого агрегату НУ групового характеру з напірно-витратними характеристиками, що мають максимум; в [8] отримано залежність втрат потужності в роторі двигуна від зміни швидкості та опору мережі, складено математичну модель замкнутої двопараметричної системи; в [9] розроблено електромеханічні моделі систем електроприводів турбомеханізмів, що дозволяють імітувати статичні характеристики НА.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертації доповідалися й обговорювалися на: конференції з міжнародною участю “Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія та практика” (м. Алушта, 1998р., 1999р.), міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми створення нових машин і технологій” (м. Кременчук, 1999р., 2000р., 2001р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 9 друкованих працях, з них 9 статей в виданнях, затверджених ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Містить 155 стор. машинописного основного тексту, 98 малюнків, 17 таблиць, перелік використаних джерел з 102 найменувань, додатки наведені на 49 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, її важливе значення для народного господарства України. Сформульована мета дисертації, визначені задачі та методи досліджень, наукова новизна та практичне значення отриманих результатів.

Перший розділ присвячено аналізу режимів роботи насосних станцій (НС) міського водопостачання, аналітичному огляду стану досліджень в області електроприводу турбомеханізмів.

Виконаний аналіз технологічних схем водопровідних НС показав, що електропривод НУ міського водопостачання – груповий електропривод, де кілька паралельно включених НА працюють на спільну гідравлічну мережу з протитиском, причому величина статичного напору в мережі складає звичайно більше 40% повного напору.

Аналіз характеру водопостачання протягом доби на прикладі м. Кременчука показав необхідність регулювання продуктивності НУ. Традиційні способи регулювання подачі НУ: метод дроселювання напору засувкою, зміною числа працюючих агрегатів, досить прості, однак невигідні з енергетичної точки зору, оскільки призводять до зниження ККД агрегату, непродуктивній витраті електроенергії, зниженню надійності роботи технологічного обладнання. Рішенням даної проблеми є регулювання продуктивності НУ зміною частоти обертання робочого колеса насосу за рахунок впровадження регульованого ЕП, що дозволить підвищити якість технологічного процесу та зменшити споживання електричної енергії.

Виконаний аналітичний огляд існуючих підходів в розв’язанні вибору системи регульованого електроприводу НУ показав, що при розрахунку необхідного діапазону регулювання швидкості не враховувались реальні особливості паралельно працюючих турбомеханізмів при різному протитиску мережі та різній кількості НА.

Аналіз робіт, виконаних в області електроприводу НУ, дозволив визначити мету і задачі дисертації, намітити шляхи розв’язання поставлених задач.

Другий розділ присвячено дослідженню режимів роботи паралельно включених турбомеханізмів і визначенню діапазону регулювання швидкості регульованого агрегату, що дозволило обґрунтувати вибрану систему регульованого ЕП.

Проведений аналіз роботи НУ групового характеру на спільну гідравлічну мережу з протитиском при регулюванні продуктивності зміною частоти обертання двигуна одного з насосів, дозволив визначити нижню крайню границю діапазону регулювання швидкості - відносну критичну швидкість обертання двигуна k, при якій продуктивність регульованого НА знижується до нуля (точка В кривої 2 рис. 1). Так, у випадку роботи двох однакових насосів типу Д2000-100 з пологими характеристиками при статичному напорі Hс=60м і гідродинамічному опорі Rc=220сек2/м5 - k=0.96; при тому ж напорі, але при опорі в 3 рази меншому (Rc=73сек2/м5) - k=0.91.

Вперше отримано аналітичні вирази для визначення відносної критичної швидкості обертання двигуна регульованого агрегату:

-

, (1)

де - відносне значення протитиску; - статичний напір мережі; - напір, що розвивається насосом при нульовій подачі; - відносний гідродинамічний опір мережі; - гідродинамічний опір мережі; - внутрішній опір насоса.

-

; (2)

-

, (3)

де , , .

-

, (4)

де- коефіцієнти апроксимації, що залежать від конструктивних особливостей турбомеханізму і визначаються за паспортними характеристиками НА.

Як випливає з (2), при наявності на НС одного регульованого і кількох паралельно працюючих нерегульованих НА з рівними значеннями напору і внутрішнього опору діапазон регулювання частоти обертання регульованого агрегату помітно звужується. Так, для насосів типу Д2000-100 при , , величина відносної критичної швидкості регульованого агрегату k=0.96; при і тих же параметрах мережі - k=0.989, при - k=0.995.

Показано, що шляхом використання схеми заміщення НУ, у якій нерегульовані і регульовані НА виділені в два еквівалентні ланцюги (рис.2), можна вирішити ряд задач, пов'язаних з визначенням навантажувальних характеристик, діапазону зміни продуктивності при регулюванні швидкості НА. Розв’язання системи рівнянь, що описують залежність продуктивності НА від зміни швидкості обертання двигуна одного з них при роботі на мережу споживача

(5)

дозволило отримати сімейство характеристик (рис.3) для визначення меж регулювання продуктивності насосів і НУ на всьому діапазоні регулювання швидкості регульованого агрегату при мінливих параметрах мережі.

З графіків (рис. 3) видно, що зі збільшенням параметрів мережі h і значення глибини регулювання швидкості зменшується.

Так, при h=0.4, =1.2 діапазон регулювання швидкості складає 12%, а продуктивність НУ змінюється в межах 0.90.74 м3/с; при h=0.6, =1.8 діапазон регулювання складає 5%, а діапазон регулювання продуктивності НУ - 0.620.54 м3/с, при цьому продуктивність регульованого агрегату змінюється в межах 0.270 м3/с.

Виконаний аналіз показав, що при груповому ЕП насосів діапазон регулювання швидкості регульованого агрегату менше, ніж діапазон регулювання агрегату, що працює на такий же протитиск, але без паралельно працюючих турбомеханізмів. Дослідження показали, що регулювання швидкості обертання повинно здійснюватися униз від номінальної не більше ніж на 10-12%. При збільшенні кількості працюючих НА діапазон регулювання швидкості істотно скорочується.

Проведений аналіз вимог до ЕП насосів показав доцільність застосування схеми асинхронного приводу з фазовим управлінням напругою на затискачах статора, що, відрізняючись простотою, надійністю, низькою вартістю в порівнянні з частотно управляючими приводами, забезпечить регулювання одиночного агрегату в необхідних межах, його запуск, а також почерговий запуск всіх інших приводів, що працюють паралельно з регульованим.

У третьому розділі проведено дослідження спільної роботи системи ТРН-АД-насос.

Виконаний аналіз роботи НУ з паралельно працюючими агрегатами дозволив визначити залежність статичного моменту на валу регульованого насоса від швидкості його обертання (рис. 4). Показано, що на характер розглянутої залежності істотним чином впливають параметри мережі, на яку працює турбомеханізм, а також наявність паралельно працюючих агрегатів.

Аналіз отриманих результатів (рис.4) показав, що залежність статичного моменту на валу насоса від швидкості при наявності паралельно включених насосних агрегатів не є “вентиляторними”. Механічна характеристика регульованого насосу може бути апроксимована лінійною залежністю виду:

, (6)

де - момент опору обертового механізму; - відносна швидкість обертання двигуна; - відносна критична швидкість обертання регульованого агрегату.

Для визначення струмового завантаження двигуна в системі ТРН-АД виконано аналіз енергетичних процесів в ЕП при зміні частоти обертання регульованого НА зміною фазної напруги синусоїдальної форми, що підводиться до статора двигуна. Спільне розв’язання рівнянь, що пов'язують статичні характеристики АД при регулюванні швидкості зміною напруги живлення і статичні характеристики регульованого по швидкості насоса, дозволило отримати закон регулювання фазної напруги статора в залежності від статичного навантаження на валу і швидкості обертання двигуна

, (7)

де - відносне значення моменту опору насоса; - номінальний момент турбомеханізму; - швидкість обертання ідеального холостого ходу; - активний опір статора, активний приведений опір ротора, індуктивний опір розсіювання статора і ротора відповідно; - ковзання двигуна.

При цьому величина втрат в міді ротора

. (8)

В роботі виконана оцінка навантаження ротора двигуна по струму, для чого величина втрат потужності в міді ротора при зміні фазної напруги статора і зміні навантаження порівнювалася з номінальною. Умові відповідають ділянки характеристик (рис. 5), що лежать нижче значення , що відповідає втратам потужності в міді ротора при номінальній швидкості обертання з номінальним навантаженням на валу двигуна. На цих ділянках регулювання швидкості зміною фазної напруги статора при зміні статичного навантаження на валу від до і нижче не викликає перегріву двигуна. Як видно, з ростом відносного значення статичного напору і, як наслідок, зменшенням діапазону регулювання швидкості, більша частина характеристик знаходиться нижче припустимого значення . Так, при , величина втрат у роторі дозволяє працювати на всьому діапазоні зміни швидкості.

В роботі виконано уточнення отриманих результатів з огляду на те, що напруга живлення при регулюванні швидкості двигуна відрізняється від синусоїдального через наявність вищих гармонік. У зв'язку з цим було проведене дослідження струмового завантаження двигуна з використанням повної математичної моделі системи ТРН-АД у фазних координатах зі статичним навантаженням на валу виду (6) і з урахуванням гармонійного складу струму і напруги. Отримані результати показали, що можливо аналізувати статичні режими системи ТРН-АД в припущенні синусоїдальності струму і напруги.

Для виключення перегріву двигуна у роботі запропоновано двопараметричний метод регулювання продуктивності НА: шляхом зміни частоти обертання двигуна насоса та одночасним регулюванням положення засувки, установленої на виході насосного агрегату.

Аналіз втрат в міді ротора з врахуванням виразу (1) показав, що зі збільшенням опору мережі , що включає опір трубопроводу і опір регулювальної засувки , ділянки з перегрівом двигуна скорочуються.

В роботі отримано залежність зміни гідродинамічного опору мережі від частоти обертання двигуна, протитиску та ступеня завантаження двигуна:

, (9)

що дозволяє розв’язати ряд задач, пов’язаних з побудовою систем регулювання параметрів НУ з впливом на мережу трубопроводу. Аналіз залежності у всьому діапазоні регулювання швидкості обертання двигуна дозволив зробити висновок, що з метою підтримання втрат в роторі на рівні номінальних на ділянках, де можливий перегрів двигуна, опір засувки . При цьому зі збільшенням відносного значення протитиску необхідний діапазон регулювання величини опору засувки знижується.

У четвертому розділі виконано дослідження режимів роботи НУ в замкнутій системі регулювання з приводом ТРН-АД.

Аналіз існуючих схемних рішень при побудові систем автоматичного управління (САУ) режимами роботи НУ, дозволив сформулювати основні принципи побудови САУ водопровідної НУ групового характеру. Розроблено функціональну схему замкнутої САУ насосної установки з приводом ТРН-АД (рис. 6, суцільні лінії), що стабілізує напір у диктуючій точці міської мережі на заданому рівні. При цьому диктуючою (контрольною) обрана точка, забезпечення нормального напору в якій гарантує підтримку необхідного напору у споживача. В роботі виконані дослідження статичних та динамічних процесів замкнутої однопараметричної системи ТРН-АД-НУ з використанням повної математичної моделі системи ТРН-АД у фазних координатах з врахуванням несинусоїдальності струму та напруги.

Математичний опис роботи НУ на мережу з протитиском отримано рішенням системи (5):

- продуктивність нерегульованого насоса

, (10)

- продуктивність регульованого насоса

, (11)

- сумарна продуктивність НУ

, (12)

- напір на виході НУ

, (13)

де коефіцієнт .

Вільний напір у контрольній точці мережі споживача

, (14)

де - гідродинамічний опір мережі від насосу до диктуючої точки.

Аналіз отриманих результатів дозволив визначити границі регулювання швидкості двигуна без перегріву: при протитиску це ділянки струму статора в інтервалі швидкостей та ділянки струму ротора в інтервалі швидкостей ; з ростом величини протитиску мережі ділянки з перегрівом скорочуються, і при величина струмів двигуна не перевищує номінальну та дозволяє працювати на усьому діапазоні регулювання швидкості.

З метою виключення перегріву двигуна розроблена функціональна схема замкнутої двопараметричної системи ТРН-АД-НУ: з зворотним зв’язком по напору в диктуючій точці міської мережі і по струму ротора з відсічкою (рис. 6 з урахуванням пунктирних ліній). При цьому в рівняннях (10)-(13) відносне значення опору мережі , де - опір регулювальної засувки.

Вільний напір у контрольній точці

. (15)

Аналіз отриманих залежностей струму статора і струму ротора від швидкості при м, в одно- і двопараметричній системах показав, що введення зворотного зв'язку по струму з відсічкою виключає перевищення струмів двигуна вище номінальних.

Зважаючи на те, що традиційні методи побудови САУ режимами НУ засновані на використанні технологічних датчиків витрати і тиску, які є дуже ненадійними, що потребують постійного огляду і перевірки, у роботі запропоновано принцип побудови системи автоматичного регулювання параметрами НУ, що дозволяє керувати режимами роботи НА на базі датчиків вимірювання електричних величин: струму статора, напруги, частоти і датчика потужності на затискачах АД. Розроблена система (рис. 7) включає в себе три суматора, блок визначення втрат двигуна і обчислювальний блок для визначення фактичних значень параметрів НУ.

Блок визначення втрат призначений для обчислення втрат потужності двигуна за поточним значенням параметрів, що надходять з датчиків напруги, струму і частоти. Знаючи потужність на валу двигуна, конструктивні й енергетичні параметри насоса і параметри мережі споживача, на яку цей насос працює, за допомогою обчислювального блоку визначаються фактичні значення тиску і продуктивності на виході НУ. Якщо фактичне значення напору або подачі відрізняється від заданого, сигнал зворотного зв'язку надходить на управляючий вхід перетворювача регульованого ЕП для зміни швидкості обертання двигуна.

Така система контролю і регулювання режимами роботи НУ підвищує надійність і якість регулювання параметрів, а також спричиняє додаткову економію засобів на ремонт, догляд і придбання технологічного устаткування.

П'ятий розділ присвячений експериментальному дослідженню режимів роботи ЕП турбомеханізмів по системі ТРН-АД з використанням електромеханічної моделі та техніко-економічному обґрунтуванню доцільності застосування системи ТРН-АД як альтернативного варіанту регульованого ЕП.

Розроблені електромеханічні моделі системи приводу ТРН-АД, що дозволили імітувати статичні характеристики НА. Базою для таких моделей є машини постійного струму (МПС) з різними системами збудження. Так, генератори незалежного збудження дають можливість одержати лінійні навантажувальні характеристики, аналогічні характеристикам, створюваним при роботі турбомашини з кількома працюючими паралельно агрегатами; генератори змішаного збудження, а також генератори в режимі самозбудження – характеристики, близькі до вентиляторних. Аналіз отриманих експериментальних кривих підтверджує правильність досліджень струмового завантаження АД в розімкнутій системі ТРН-АД-насос і ТРН-АД-НУ, проведених шляхом математичного моделювання і дозволяючих визначити ділянки роботи двигуна без перегріву, а також підтвердив можливість застосування системи ТРН-АД як регульованого електроприводу НУ водопостачання групового характеру.

Уперше розроблений метод техніко-економічної оцінки доцільності застосування системи ТРН-АД для водопровідних НУ з паралельно працюючими турбомеханізмами з урахуванням втрат потужності в двигуні та перетворюючих пристроях для розроблюваної системи ЕП і базового варіанту.

Аналіз споживаної НА енергії при різних способах регулювання продуктивності (східчастому регулюванні, дроселюванні, регульованому ЕП) показав, що для випадку, коли водоспоживання змінюється в часі, мінімальну величину споживаної за рік енергії дає метод регулювання подачі зміною частоти обертання робочого колеса насоса.

У роботі проведено аналіз втрат потужності, що включає втрати в двигуні і втрати в перетворювальному пристрої, для двох варіантів регульованого ЕП: системи ТРН-АД і системи ТПЧ-АД. При цьому враховувалися два фактори, характерні для частотно-регульованого ЕП: наявність значних втрат енергії в перетворювальних пристроях (до 5%) в області швидкостей, близьких до номінальної, і вартість устаткування, що перевищує в 2.53 рази вартість устаткування для ТРН. Робота електропривода від ТРН вигідна тоді, коли сумарні втрати при використанні ТРН менше, ніж при використанні ТПЧ РТПЧ>РТРН і, крім того, відсутнє перевантаження АД по гріючим втратам (Рм+Рс)ТРН(Рмном+Рсном). Аналіз отриманих графіків зміни сумарних втрат потужності від швидкості при різних способах управління, дозволив визначити швидкість, при якій ці умови виконуються. Так, при протитиску h=0.7, k=0.94 і різних коефіцієнтах завантаження машини (рис. 8), це інтервал швидкостей у межах ном0.97 для =1.0, ном0.974 для =0.8, ном0.978 для =0.6. На інших ділянках регулювання швидкості за умови відсутності перевантаження АД, застосування системи ТРН вигідніше, з огляду на більш низьку вартість устаткування в порівнянні з частотно-регульованим ЕП.

На підставі аналізу процесів, що відбуваються в електромеханічних системах, у роботі визначений закон частотного управління в АД, що враховує параметри гідродинамічної мережі, кількість паралельно працюючих насосів, величину відносної критичної швидкості обертання, ступінь завантаження двигуна:

, (16)

де - коефіцієнт зміни частоти мережі; - коефіцієнт зміни напруги, що підводиться до двигуна.

Розрахований економічний ефект, обумовлений використанням системи з ТРН склав 45 888 у.о, строк окупності – 1.7 року.

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

ПУБЛІКАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

АНОТАЦІЯ

Коренькова Т.В. Раціональний електропривод насосних станцій міського водопостачання. –Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – Електротехнічні комплекси та системи. –Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2001.

Дисертація присвячена питанням підвищення ефективності роботи насосних установок (НУ) водопостачання за рахунок застосування раціональної системи регульованого електропривода, що враховує особливості паралельно працюючих агрегатів на спільну гідравлічну мережу з протитиском. Визначено реальний технологічний діапазон регулювання швидкості регульованого насоса; отримані рівняння та сімейства характеристик для визначення меж регулювання продуктивності НУ при зміни швидкості обертання двигуна насосу. Проведено обґрунтування доцільності застосування системи тиристорний регулятор напруги-асинхронний двигун (ТРН-АД), що дозволяє здійснити почерговий пуск приводів і регулювання швидкості двигуна в обґрунтованих межах. Досліджено струмове завантаження АД при живленні через ТРН для визначення ділянок роботи двигуна без перегріву. Запропоновано двопараметричний метод регулювання продуктивності насоса з метою виключення перегріву двигуна. Розроблено принцип побудови систем автоматичного регулювання параметрів НУ без використання технологічних датчиків тиску та витрати, що дозволяють визначати технологічні параметри по параметрам споживання електроенергії насосних агрегатів та апроксимованим характеристикам турбомеханізмів. Розроблено метод техніко-економічної оцінки ефективності застосування системи ТРН-АД у НУ групового характеру з урахуванням втрат потужності в двигуні та перетворюючих пристроях.

Ключові слова: насосна установка, протитиск, тиристорний регулятор напруги, асинхронний двигун, діапазон регулювання швидкості, струмове завантаження.

АННОТАЦИЯ

Коренькова Т.В. Рациональный электропривод насосных станций городского водоснабжения. –Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы. –Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2001.

Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности работы насосных установок (НУ) водоснабжения за счет применения рациональной системы электропривода, учитывающей гидроэнергетические особенности параллельно работающих агрегатов и выходные технологические параметры системы водоснабжения. В работе проведен анализ параллельной работы насосных агрегатов (НА) с различными напорно-расходными характеристиками на общую гидравлическую сеть с противодавлением, что позволило определить реальный технологический диапазон регулирования скорости вращения двигателя регулируемого насоса - 10-12% вниз от максимальной скорости. Показано, что при увеличении числа нерегулируемых НА диапазон регулирования составляет 3-5%. Получены семейства характеристик для определения пределов регулирования производительности насосов в зависимости от изменения частоты вращения регулируемого агрегата. Выполнено обоснование необходимости применения системы тиристорный регулятор напряжения – асинхронный двигатель (ТРН-АД), которая обеспечит регулирование одиночного агрегата, его запуск, а также поочередный запуск всех других приводов, работающих параллельно с регулируемым.

Показано, что при параллельной работе НА зависимость момента на валу двигателя регулируемого агрегата от скорости может быть аппроксимирована линейной зависимостью. Для определения токовой загрузки двигателя в системе ТРН-АД выполнен анализ энергетических процессов в ЭП при изменении частоты вращения регулируемого агрегата изменением фазного напряжения, определены реальные участки работы двигателя без перегрева. Получено, что с увеличением противодавления сети доля таких участков заметно возрастает. Для исключения перегрева двигателя предложен метод регулирования производительности насоса изменением частоты вращения рабочего колеса и одновременным регулированием задвижкой на выходе НА. Сформулированы требования и принципы построения САР технологическими параметрами НУ с учетом выявленных особенностей работы электропривода в системе ТРН-АД. Выполнены исследования статических и динамических процессов, протекающих в замкнутой системе автоматического регулирования (САР) параметрами НУ, с использованием полной математической модели системы ТРН-АД в фазных координатах с учетом несинусоидальности тока и напряжения, которые показали, что возможно построение замкнутых САР, как однопараметрических (по напору в диктующей точке сети), так и двухпараметрических (по напору в диктующей точке сети и току ротора с отсечкой с целью исключения перегрева двигателя). Предложен принцип построения системы регулирования параметрами НУ без использования технологических датчиков давления и расхода, базирующейся на определении фактического напора и производительности по параметрам энергопотребления и аппроксимированным характеристикам насосов. Разработаны электромеханические модели системы привода ТРН-АД, позволяющие имитировать статические характеристики НА и использовать их для экспериментального исследования режимов работы ЭП турбомеханизмов. Разработан метод технико-экономической оценки целесообразности применения системы ТРН-АД для водопроводных НУ с параллельно работающими НА с учетом потерь мощности в двигателе и преобразовательных устройствах для разрабатываемой системы ЭП и базового варианта. Показано, что экономический эффект от использования системы ТРН-АД достигается за счет снижения мощности, потребляемой НА, по сравнению с системами нерегулируемого электропривода, а также за счет меньших потерь в преобразовательных устройствах в области скоростей, близких к номинальной, и меньшей стоимости самого ТРН по сравнению с частотно-регулируемым ЭП.

Ключевые слова: насосная установка, противодавление, тиристорный регулятор напряжения, асинхронный двигатель, диапазон регулирования скорости, токовая загрузка.

ABSTRACT

Korenkova T.V. The rational electrical drive of pump stations of urban water supply. –Manuscript.

The dissertation in candidacy for degree of the candidate of engineering science by speciality 05.09.03 – Electrotechnical complexes and systems. –National technical university of Ukraine “Kiev polytechnical institute”, Kiev, 2001.

The dissertation is devoted to problems of increase of an overall performance of pump sets (PS) of water supply at the expense of application of a rational system of the adjustable electrical drive taking into account peculiarities of in paralleled working aggregates on a general hydraulic network with back pressure. The actual technological control band of speed of the adjustable pomp is determined; the expressions and grouping of characteristics for definition of borders of regulation of productivity PS are obtained at change of rotation speed of the engine of the pomp. The substantiation of expediency of application of a system a thyristor voltage regulator - induction motor (TVR-IM) is executed which allows to carry out serial start of drives and speed regulation of the engine in the justified limits. The current loading a IM is researched at a power from TVR for definition of active legs of the engine without an overheating. The two-parameter method of regulation of pump productivity is offered with the purpose of exception of an overheating of the engine. The principle of construction of an automatic control system of parameters PS without usage of technological pressure transducers and productivity permitting to define technological parameters on parameters of a utilisation of power of pump units and of approximate characteristics of turbomechanisms is designed. The method of a technical and economic estimation of operational effectiveness of a system a TVR-IM in PS of grouping character with the count of power