Министерствообразования Российской Федерации
Чувашскийгосударственный университет им. И.Н. Ульянова
Кафедра«Системы автоматизированного управления электроприводами»
Курсовойпроект
по дисциплине
“Автоматизированныйэлектропривод промышленных установок и технологических комплексов”
На тему:Расчет характеристик электропривода насоса Д5000-32-2 для 2-х способоврегулирования производительности.
Проверил:
профессор, к.т.н.
Ларионов Владимир Николаевич
Чебоксары,2005
Содержание
1. Введение
2. Построение характеристик насоса для скоростей, отличных отноминальной и характеристики магистрали
3. Расчет и выбор электродвигателя и асинхронно-вентильногокаскада
4. Расчет и построение механических характеристик .
5. Расчет потерь скольжения, потерь в асинхронно-вентильномкаскаде и потерь в роторе
6. Расчет мощности, потребляемой из сети приводом прирегулировании задвижкой и с помощью асинхронно-вентильного каскада .
7. Список использованной литературы
1.Введение
Современное промышленноеи сельскохозяйственное производство, транспорт, коммунальное хозяйство, сферыжизнеобеспечения и быта связанны с использованием разнообразных технологическихпроцессов, большинство из которых основано на применении рабочих машин и механизмов,разнообразие и число которых огромно. Там, где применяются технологическиемашины – используется электропривод. Практически все процессы, связанные сдвижением с использованием механической энергии, осуществляютсяэлектроприводам. Исключение составляют лишь некоторые транспортные исельскохозяйственные машины (автомобили, тракторы и др.), но и в этой областиперспективы использования электропривода стали вполне реальны.
Электропривод – главныйпотребитель электрической энергии. В развитых странах на долю электроприводаприходится свыше 60% всей вырабатываемой электроэнергии.
Электроприводы различныпо своим техническим характеристикам: по мощности, скорости вращения,конструктивному исполнению и другим. Мощность электроприводов прокатных станов,компрессоров газоперекачивающих станций и ряда других уникальных машин доходитдо нескольких тысяч киловатт. Мощность электроприводов, используемых вразличных приборах и устройствах автоматики, составляет несколько ватт.Диапазон мощности электроприводов очень широк. Также велик диапазонэлектроприводов по скорости вращения.
Большинствопроизводственных рабочих машин и механизмов приводится в движениеэлектрическими двигателями. Двигатель вместе с механическими устройствами(редукторы, трансмиссии, кривошипно-шатунные механизмы и др.), служащими дляпередачи движения рабочему органу машины, а также с устройствами управления иконтроля образует электромеханическую систему, которая является энергетической,кинематической и кибернетической (в смысле управления) основой функционированиярабочих машин.
В более сложныхтехнологических машинных комплексах (прокатные станы, экскаваторы,обрабатывающие центры и другие), где имеется несколько рабочих органов илитехнологически сопряженных рабочих машин, используется несколькоэлектромеханических систем (электроприводов), которые в сочетании сэлектрическими системами распределения электроэнергии и общей системойуправления образуют электромеханический комплекс.
Большие скоростиобработки, высокая и стабильная точность выполнения технологических операцийпотребовали создания высокодинамичных электроприводов с автоматическимуправлением. Стремление снизить материальные и энергетические затраты навыполнение технологических процессов обусловило необходимость технологической иэнергетической оптимизации процессов; эта задача также легла на электропривод.На этапе технического развития машинного производства, достигнутого к концу XX века, электромеханические комплексыи системы стали определять технологические возможности и технический уровеньрабочих машин, механизмов и технологических установок.
Создание современныхэлектроприводов базируется на использовании новейших достижений силовойэлектротехники, механики, автоматики, микроэлектроники и компьютерной техники.Это быстро развивающиеся области науки, что определяет высокую динамичностьразвития электромеханических систем.
В последние годы споявлением доступных технических средств для регулирования скорости асинхронныхдвигателей для привода насосов в системах тепло- и водоснабжения сталиприменятся регулируемые электроприводы.
Электропривод насосавыполняет две функции: преобразует электрическую энергию в механическую,необходимую для подачи воды потребителю, и управляет работой установки такимобразом, чтобы поддерживать требуемую величину напора и расхода воды.
Автоматизированныйэлектропривод 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 собеспечением стабильности качества производимой продукции.
Вторым обстоятельством,обусловившим развитие электропривода, явилось распространение его применения нетолько на промышленное производство, но и на другие сферы, определяющиежизнедеятельность человека: сельское хозяйство, транспорт, медицину,электробытовые установки и др.
Третья причина связана снаметившимся переходом от экстенсивного развития производства электрическойэнергии к более эффективному ее использованию. Повышение эффективностиэлектромеханического использования электроэнергии всецело зависит отсовершенствования электропривода.
2.Построение характеристик насоса для скоростей, отличных от номинальной ихарактеристики магистрали
Исходные данные:
/> (η,4*%)
/>
/>
Рис. 2.1 Характеристиканасоса Д5000-32-2; n=585об/мин.
Производительность инапор находятся по формулам:
/>, />. (2.1)
Номинальные значенияпроизводительности /> и напора /> соответствуют значениям нахарактеристике насоса для номинальной скорости.
Рассчитаем характеристикунасоса для различных скоростей по формулам 2.1. Результаты занесем в таблицу2.1.
Далее рассчитаемхарактеристику магистрали по двум точкам. По заданию известно, что статическийнапор />м. Также известно, что при /> м3/ч напор />м. Известно, что:
/> (2.2)
Определим />. Из формулы (2.2) имеем:
/>,
Получим:
/>.
Тогда зависимость /> для магистрали выражаетсяформулой:
/> (2.3)
Используя формулу (2.3)рассчитаем несколько точек магистрали. Результаты занесем в таблицу 2.2.
Таблица 2.1.Точка 1 2 3
/>
Q, м3/ч 900 3000 4800 Н, м 20 17 12
/>
Q, м3/ч 630 2100 3360 Н, м 9,8 8,33 5,88
/>
Q, м3/ч 720 2400 3840 Н, м 12,8 10,88 7,68
/>
Q, м3/ч 810 2700 4320 Н, м 16,2 13,77 9,72
Таблица 2.2.
Q, м3/ч 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 и2.2 построим семейство характеристик насоса для скоростей от ωН до0,7ωН и характеристику магистрали (рис.2.2).
/>
Рис. 2.2 Характеристикинасоса для скоростей отличных от номинальной и характеристика магистрали.
3. Расчети выбор электродвигателя и преобразователя частоты
Мощность насоса в кВт врабочей точке определяется по формуле:
/>, (3.1)
где НН[м],QH[м3/ч] и ηН — значения напора, производительности и КПД, соответствующие точке пересеченияхарактеристики насоса и магистрали;
/> - плотность перекачиваемой среды вкг/м3;
Получим:
/> кВт.
Двигатель выбираем исходяиз условия:
/>
Выберем двигатель серииАК с фазным ротором:
Тип двигателя –АК12-42-10 УХЛ4
Синхронная частотавращения – nН=600 об/мин.
Номинальная мощность – РН=200кВт.
Напряжение статора – U1л=6000 В.
Напряжение ротора – Е2к=500В.
Ток ротора – I2=270 А.
Номинальный КПД – hH=91,0 %.
Номинальное скольжение2.5%
Номинальный cosφ – cosφн =0.79
Отношение максимальногомомента к номинальному – ММАХ/ ММIN=2.4.
Электродвигателипеременного тока с фазным ротором серии АК предназначены для привода механизмов:
– требующих регулированиячастоты вращения (ленточных конвейеров и др.);
– не требующихрегулирования частоты вращения, но с тяжелыми условиями пуска (вентиляторов,цементных и угольных мельниц и др.)
Двигатели предназначеныдля работы от сети переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 6000 В.Номинальный режим работы — продолжительный (S1). Пуск двигателей серии АКосуществляется как вручную с помощью пускового реостата, так и автоматически спомощью магнитной станции. Пусковой реостат или магнитная станция по требованиюзаказчика могут поставляться комплектно с электродвигателем.
Двигатели допускают двапуска подряд из холодного состояния и один пуск из горячего состояния.Конструктивное исполнение двигателей по способу монтажа — горизонтальное, безфундаментной плиты, с двумя щитовыми подшипниками, с одним свободным концомвала для соединения с рабочим механизмом при помощи полумуфты. Двигателивыполняются защищенными. Предназначены для работы с самовентиляцией в закрытыхпомещениях с нормальной окружающей средой. Изоляционные материалы обмоткистатора класса нагревостойкости не ниже «В».
Обмотка статора имеетшесть выводных концов, закрепленных на четырех изоляторах в коробке выводов.Схема соединения фаз — звезда.
Коробка выводов статорарасполагается с правой стороны, если смотреть на свободный конец вала (левоерасположение указывается в заказе). Двигатели допускают правое и левоенаправления вращения. Изменение направления вращения осуществляется только изсостояния покоя.
Структура условного обозначения:
АК — ХХ -ХХХ-Х-ХХХХ4
АК — асинхронныйдвигатель с фазным ротором
ХХ — габаритэлектродвигателя
ХХХ — полная длинасердечника статора в см
Х — число полюсов
ХХХХ — климатическоеисполнение
4 — категория размещения
Степень защиты IP01
Форма исполнения 1M1001
Способ охлаждения IC01
Режим работы S1
Двигатели могутизготавливаться на напряжение 3000В.
Регулирование скоростидвигателя осуществляется с помощью асинхронно-вентильного каскада.
Исходя из мощностидвигателя выбираем АВК:
Тип АВК – ЭКА4-630-380.
Напряжение питанияинвертора – UПИТ=380 В.
Номинальная мощностьпреобразователя – РН=500 кВт.
Номинальный фазный токротора – I2=435 А.
Рабочее линейноенапряжение ротора – U2, ЛИН=680 В.
Электроприводы по схемеасинхронного вентильного каскада ЭКА-4 предназначены для регулирования скоростиасинхронных электродвигателей с фазным ротором мощностью до 5000 кВт с отдачейэнергии скольжения в питающую сеть и могут быть использованы для измененияпроизводительности насосных агрегатов и поддержания давления на их выходе, атакже в ряде других производственных механизмах с тяжелыми условиями пуска ичастичным диапазоном регулирования скорости (дробилки, цементные вращающиесяпечи и др.).
Электроприводы включают всебя тиристорно-диодный агрегат со сглаживающим дросселем и согласующимтрансформатором (при питании агрегата от высоковольтной сети), блоки пусковыхрезисторов, станцию управления пуском и остановом электродвигателя, а такжешкаф управления переключением на резервный электродвигатель и шкаф управленияпуском резервного электродвигателя на пусковых резисторах.
Предусмотрено местноеуправление электродвигателями со станции управления и дистанционное – с пультауправления.
Электроприводы выполненыс применением микроконтроллеров серии PIC, имеют связь с ЭВМ высшего уровня поканалу RS 485.
Имеется защита роторныхцепей электродвигателя от перенапряжений при исчезновении напряжения питания свысокой стороны.
Электроприводы позволяют:
существенно экономитьэлектроэнергию;
избежать частых пусковэлектродвигателя при изменении подачи в замкнутых по уровню системахрегулирования водоснабжения;
уменьшитьэксплуатационные и капитальные затраты по сравнению с высоковольтнымичастотно-регулируемыми электроприводами, поскольку установленная мощностьэлектрооборудования определяется диапазоном регулирования скорости.
4. Расчети построение механических характеристик
Как известно, мощностьнасоса определяется по формуле:
/>; (4.1)
Разделив обе части этогоравенства на скорость, получим выражения для момента в зависимости от скорости
/>; (4.2)
Используя полученнуюформулу, построим механическую характеристику насоса. Для этого находим пографику Q, H, η, соответствующие точке пересечения характеристикимагистрали и характеристики насоса для одной из скоростей.
/>
/>кНм,
/>с-1, а
/>об/мин.
/>кНм,
/>с-1.
/>кНм,
/>с-1.
/>кНм,
/>с-1.
Таким образом, статическаямеханическая характеристика насоса имеет вид, изображенный на рис.4.1.
Определим показательстепени k. Показатель степени kопределим по формуле:
/> (4.3)
/>
Рис. 4.1 Статическаямеханическая характеристика насоса
Найдем из рис. 2.2производительности и напоры, соответствующие двум разным скоростям, например />и />.
/>с-1;
/>м;
/>м3/ч;
/>с-1;
/>м;
/>м3/ч;
Подставляя полученныезначения в формулу (4.3) получим:
/>.
Таким образом,статическая механическая характеристика насоса принимает вид:
/>, где
/>Нм.
Номинальный моментдвигателя:
/>Нм.
Для построения семействамеханических характеристик двигателя при регулировании скорости с помощью асинхронно-вентильногокаскада будем использовать следующее выражение:
/>,
Где /> - скольжение холостогохода;
/> — индуктивное сопротивление рассеянияфазы двигателя, приведенной к обмотке ротора;
Принебрегая активнымсопротивлением статора, т.е. полагая />, чтодопустимо для двигателей большой мощности получим:
/>, (4.4)
где />. Здесь /> — активное сопротивлениеротора.
Найдем сопротивлениеротора по формуле:
/> Ом, где
/> кВт.
Найдем индуктивноесопротивление рассеяния фазы двигателя, приведенной к обмотке ротора /> из формулы:
/>,
Т.к. Мmax/ Мн=2.4, то />Нм.
Тогда />Ом.
Тогда />.
Меняя в формуле (4.4) />, строим регулировочныехарактеристики при регулировании с помощью АВК.
/>
Рис 4.2 Регулировочныехарактеристики при регулировании с помощью АВК и статическая механическаяхарактеристика насоса.
5. Расчетпотерь скольжения, потерь в асинхронно-вентильном каскаде и потерь в роторе
Потери в ротореопределяются из выражения
/>.
Известно, что на линейномучастке механической характеристики асинхронного двигателя, момент прямопропорционален току ротора, тогда из выражения
/>
следует, что
/>.
В этом случае, формуладля потерей в роторе принимает вид
/>.
Потери скольженияопределяются как
/> Или
/>.
Потери васинхронно-вентильном каскаде определяются как
/>.
Подставляя в этовыражение /> и />, получим
/>,
где />.
Тогда потери в АВКопределятся по формуле:
/>
/>
Рис 5.1 Потерискольжения, потери в роторе и в АВК
6. Расчетмощности, потребляемой из сети приводом при регулировании задвижкой и с помощьюасинхронно- вентильного каскада
Мощность, потребляемаяасинхронным двигателем из сети, определяется как
/>
/>.
Для построения графиказависимости /> находим на характеристикенасоса (рис.2.1) при номинальной скорости двигателя напор и КПД,соответствующие заданной производительности и подставляем в приведенную вышеформулу. Далее из рис.2.1 и 2.2 находим напор и КПД для работы при другихскоростях. Таким образом, получим несколько точек искомой зависимости(табл.6.1), по которым и построим график зависимости мощности, потребляемойасинхронным двигателем от производительности насоса (рис.6.1).
При работе с номинальнойскоростью получим
/>, />,/>, тогда
/> кВт.
Таблица 6.1.
/> 2250 1825 1425 825
/> 18 14.8 12 9.5
/> 0.68 0.6 0.47 0.33
/> 177.99 134.53 108.73 70.98
Мощность, потребляемая изсети, определяется как
/>.
При регулированиискорости с помощью АВК часть энергии скольжения теряется в роторе и в АВК, ачасть возвращается обратно в сеть.
Найдем мощность,возвращаемую в сеть:
/>
/>.
Таким образом, с учетомотдачи части энергии скольжения обратно в сеть, мощность, потребляемая из сети,определится как
/>.
Т.к. скорость двигателяпрямо пропорциональна производительности
/>,
тогда подставив эторавенство в выражение для мощности, потребляемой из сети, получим
/>.
/>
Рис. 6.1. Зависимостьмощности, потребляемой из сети приводом при регулировании задвижкой и с помощьюасинхронно-вентильного каскада, от производительности
Таким образом, прирегулировании производительности насоса с помощью АВК имеется значительныйвыигрыш электроэнергии по сравнению с регулированием задвижкой.
7. Списокиспользованной литературы
1. Соколов М.М.«Автоматизированный электропривод общепромышленных механизмов» М.: Энергия, 1976 г.
2. Ключев В.И.«Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов» М.: Энегрия, 1980 г.
3. Конспект лекций.