CC BY
36
3. Florentsev, S. N. Traction Electric Equipment Set for AC Electric Transmission Various Vehicles [Text] / S. N. Florentsev // Proceedings of International Exhibition & Conference «Power Electronics, Intelligent Motion. Power Quality (PCIM-2009)», 12-14 May 2009, Nurenberg, Germany. — P. 625-627.
4. Кулагш, Д. О. Проектування систем керування тяговими електропередачами моторвагонних поiздiв [Текст]: моно-графiя / Д. О. Кулагш. — Бердянськ: ФО-П Ткачук О. В., 2014. — 154 c.
5. Ali Emadi. Energy-Efficient Electric Motors: Selection and Applications [Text] / Ali Emadi. — New York: Marcel Dekker, 2004. — Ed. 3. — 424 p.
6. Кулагш, Д. О. Математична модель тягового асинхронного двигуна з урахуванням насичення магштних кш [Текст] / Д. О. Кулагш // Науковий вюник НГУ. — 2014. — № 6. — С. 103-110.
7. Кулагш, Д. О. Математична модель тягового асинхронного двигуна з урахуванням насичення [Текст] / Д. О. Кулагш // Техшчна електродинамжа. — 2014. — № 6. — С. 49-55.
8. Boldea, I. Induction Machines Handbook [Text] / Ion Boldea, Syed A. Nasar. — CRC Press Boca Raton: London, New York, Washington, D. C., 2002. — 845 p.
9. El-Sharkawi, M. A. Fundamental of electric drivers [Text] / Mohamed A. El-Sharkawi. — Brooks: Cole production, 2000. — 400 p.
10. Stone, G. C. Electrical insulation for rotating machines [Text] / Greg C. Stone, Hussein Dhirani, Edwards A. Boulter, Ian Culbert. — A John Wiley & Sons, inc., 2004. — 392 p.
0С06ЕНН0СТИ ВЫбОРА ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ПОДВИЖНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ
КОМПЛЕКСОВ
Исследованы особенности выбора тяговых электродвигателей для различных видов и конструкций подвижных электро-
технических комплексов. Проведен анализ практического опыта построения систем тяговых электроприводов на основе выбранного тягового двигателя и обобщена методика определения параметров двигателей при определенных требованиях относительно показателей движения со стороны электротехнического комплекса.
Ключевые слова: тяговый двигатель, электротехнический комплекс, тяговый привод, методика.
Кулагт Дмитро Олександрович, кандидат техшчних наук, доцент, докторант, кафедра електропостачання промислових тдприемств, Запорiзький нацюнальний техтчний утверситет, Украта, e-mail: kulagindo@gmail.com.
Чернецький Богдан Сeргiйович, астрант, кафедра електропостачання промислових тдприемств, Запоргзьшй нащональний техтчний утверситет, Украта, e-mail: Bogdan_chernetskiy@yandex.ru.
Кулагин Дмитрий Александрович, кандидат технических наук, доцент, докторант, кафедра электроснабжения промышленных предприятий, Запорожский национальный технический университет, Украина.
Чернецкий Богдан Сергеевич, аспирант, кафедра электроснабжения промышленных предприятий, Запорожский национальный технический университет, Украина.
Kulagin Dmitro, Zaporizhzhya National Technical University, Ukraine, e-mail: kulagindo@gmail.com.
Chernetskiy Bogdan, Zaporizhzhya National Technical University, Ukraine, e-mail: Bogdan_chernetskiy@yandex.ru
УДК 004.942:62-83 DOI: 10.15587/2312-8372.2015.41406
Курляк п. о. АНАЛ13 ЕНЕРГЕТИЧНИХ ПОТОК1В
У СИСТЕМАХ Р13НО1 Ф13ИЧНО1 ПРИРОДИ ЕЛЕКТРОПРИВОДНИХ ТУРБОМАШИН
Запропоновано спо^б аналiзу енергетичних пототв в системах fiem! фiзичноí природы електроприводних турбомашин. Для проведення долдження единого електрогiдромеханiчного процесу комплексним методом встановлено енергетичний зв'язок мiж Bond Graph моделями асинхронного двигуна i вiдцентрового насоса. Проаналiзовано ефективтсть перетворення енергп у кожнш фiзичнiй областi турбомашини тарозробленорекомендацп з ефективного використання енергоресур^в.
Клпчов1 слова: Bond Graph, енергетика, асинхронний двигун, в^дцентровий насос, турбомашини, миттевi потужностi.
1. Вступ
В умовах CTpiMKoro росту щни на енергоносн вкрай необхщним стратепчним завданням е збереження енер-гетично! незалежност Украши. 1снують багато шляхiв виконання даного завдання, одним i3 яких е впрова-дження енергоефективних режимiв роботи технолопч-ного обладнання вах галузей промисловость Велику частку — бшьше 70 % вщ загального об'ему електро-приводiв (ЕП), що використовуються в промисловост займають ЕП змшного струму на базi асинхронних дви-
гушв з короткозамкненим ротором. Особливо слщ вщ-мггити електроприводш турбомашини (ЕПТМ), а саме: насоси, вентилятори, компресори, як е найбшьш масо-вими виробничими мехашзмами. Встановлення у свш час низьких щн на електроенергш призвело до знач-ного тдвищення масогабаритних показниюв приводних електродвигушв, потужшсть яких при цьому завищува-лась в 1,5-2 рази. В результат бшьшкть з них працюе iз значним недовантаженням вщ 30 до 70 %, що викли-кае суттеве зниження ККД ЕП. Вказаш процеси також спричинюють значне попршення коефщенту потужнос-
Ti ЕП, що призводить до перевантаження живильних лшш електромереж реактивною потужшстю. KpiM того iснуючi системи ЕПТМ споруджувались в 70-80-х роках ХХ столигя i за час експлуатацп значна ix частина ви-черпала свiй ресурс та застарша морально. На сьогоднi, за оцшкою експертiв, фiзичне зношування турбомашин складае близько 65 %, що призводить до реалiзацii на них неоптимальних режимiв роботи. Тому актуальною постае задача аналiзу енергетичних потоюв у ЕПТМ, з метою знаходження умов максимальноi ефективностi ix функщонування.
2. Анал1з л1тературних даних та постановка проблеми
Для результативного аналiзу енергетичних потоюв у ЕПТМ, ix необхвдно розглядати, як складнi техшчш об'екти, що складаються iз взаемопов'язаних тдсистем рiзноi фiзичноi природи, а саме: електрично'', меxанiчноi та гiдравлiчноi (пневматичноi). Традицiйно складовi пристро'' ЕПТМ аналiзують окремо рiзними методами, та iз единого електрогiдромеxанiчного процесу спеща-лiсти-електрики розглядають електромеxанiчнi [1-3], а спещалкти-пдравлжи — гiдромеxанiчнi складовi [4-6]. Як наслщок — процес аналiзу ефективностi перетворення енергп в ЕПТМ стае надто трудомштким.
В роботах [7-12] започатковано розгляд питання комплексного дослвдження електроприводних пдро-машин. Однак, в даних роботах не придшялась достат-ня увага аналiзу саме енергетичних потоюв у рiзниx фiзичниx пiдсистемаx ЕПТМ засобами обчислювально'' техшки, або запропонованi моделi були надто примь тивними i не враховували важливi фiзичнi процеси, якi присутш в ЕПТМ. Вiдомо, що для дослщження енергоефективних режимiв роботи та прогнозування аваршних ситуацiй, як правило, використовують ма-тематичне та комп'ютерно-орiентоване моделювання, оскiльки проведення експериментальних дослвджень не завжди е можливим.
3. 06'ект, ц1ль та задач1 дослщження
Об'ект дослгдження — сукупшсть динамiчниx про-цесiв, якi виникають в електропривоних турбомашинах електротеxнiчниx комплекав промислових пiдприемств.
Мета дослгдження — розроблення ефективних ком-п'ютерно-орiентованиx моделей електропривоних турбомашин такими методами моделювання, яю б не вима-гали спещальних навикiв в област програмування та давали можливiсть аналiзувати взаемовплив складових пiдсистем рiзноi фiзичноi природи на динамiчну пове-дшку об'екта.
Для досягнення поставлено' мети виршувалися на-ступнi задачi:
— проаналiзувати сучаснi методи комп'ютерно-орiен-тованого моделювання складних техтчних об'ектiв, яю дають можливiсть враховувати взаемовплив тдсистем рiзноi фiзичноi природи на режими ix роботи;
— обгрунтувати дощльшсть впровадження мiждис-циплiнарного методу моделювання Bond Graph для дослщження рiвня ефективностi функцiонування ЕПТМ в уах галузях промисловостi;
— розробити ефективт комп'ютерно-орiентованi Bond Graph моделi ЕПТМ для дослщження взаемопов'яза-
них процесiв перетоку енергп мiж рiзними фiзичними областями об'екту, з метою знаходження умов (систем-них властивостей) максимально' ефективност його функцiонування.
4. Методи дослщження та модел1
4.1. Обгрунтування доцшьност впровадження м1ж-дисциплшарного методу моделювання Bond Graph. 1снуе багато традицшних методiв математичного моделювання динамiчноi поведiнки об'ектiв, якi е адаптованими тiльки для пiдсистеми однiеi фiзичноi природи (електрично', меxанiчноi, гiдравлiчноi тощо). Бiльшiсть алгоритмiв i комп'ютерних програм застосовують для числового вирiшення рiвнянь системи. Крiм того, аналiз лггера-турних джерел показав, що спецiалiзованi методи моделювання не дають задовшьних результапв для iншиx фiзичниx тдсистем та не дають змоги проводити повне комплексне дослщження складного об'екту.
Отже, для знаходження умов максимально' ефек-тивносп функщонування ЕПТМ та для оптимального синтезу диференщальних рiвнянь стану таких систем необхвдна могутня мiждисциплiнарна методолопя та iнструменти програмного забезпечення, яю охоплюють всi складш енергетичнi процеси i математичнi моделi пiдсистем рiзноi фiзичноi природи. Здшснивши порiв-няльний аналiз сучасних методiв моделювання, вста-новлено, що для ефективного виршення поставлених задач дослщжень найбiльш доцiльним е унiфiкований метод Bond Graph [13].
Метод моделювання Bond Graph вщображае системно-незалежний графiчний опис динамiчноi поведiнки систем рiзноi фiзичноi природи. Вiн був започаткований про-фесором Пейнтером [14] на початку шштдесятих рокiв ХХ-столитя та розроблений його учнями Кернопом i Розенбергом [15]. Bond Graph метод базуеться на законах збереження енергп та принципах багатопор-тового моделювання. В ньому рiзнi фiзичнi тдсисте-ми (електрична, меxанiчна, гiдравлiчна тощо) описують аналогiчними рiвняннями та фiзичними поняттями. Об'екти дослiджень зображають у виглядi позначених i напрямлених графiв, в яких вершини представляють собою шдмодел^ а стрiли символiзують взаемодiю мiж ixнiми енергетичними портами. Таю сполучення на-зивають енергетичними зв'язками (bonds) та зображають сущльною лшею. Енергетичний зв'язок виражае щеальний потiк енергп за одиницю часу мiж елементами системи у будь-яюй фiзичнiй областi. Потiк виражений добутком двох змшних типу «зусилля» e та «потоку» f, яю характеризують миттеве значення потужностi:
dE
Р = ^ = e^f. (1)
В основу Bond Graph методу покладено шкть уза-гальнених змшних — зусилля e, потiк f, потужнiсть P, момент p, перемщення q i енергiя E. Графiчний словник методу мiстить наступнi елементи: два типи джерел — зусилля i потоку Se, Sf; елементи емностi C, iнерцiйностi I та опору R; трансформаторний TFi гiраторний зв'язок GY; вузли загального зусилля 0 i потоку 1. В табл. 1 наведена вщповщшсть узагальнених та спецiалiзованиx змшних в рiзниx фiзичниx пiдсистемаx ЕПТМ.
таблиця 1
Вщпевщшсть змшних методу Band Graph зм1нним в р1зних ф1зичних гадсистемах електреприведних турбамашин
^^^^Пщсистеми Змшш Електрична Мехашчна (□бертевеге руху) Гщравл1чна
Зусилля, e Напруга, U □бертовий момент, T Тиск, Ps
Потш, i Струм, I Кутова швид-тсть, ю □б'Емна витрата, Q
Величина шерци, р Петакезче-плення, у Кшетичний момент, H Мамент тиску, Mp
Величина зм1щення, q Заряд, qB Кут перемщен-ня, е □6'ем, V
i ротора АД базуються на другому закош Кiрхгофа та записаш в системi координат а, ß :
R + dtUa О
d
-¡-M dt
-M юr
О
s d s R + ~dtLs
M юг
d
M
dt
d
M
dt
О
d
Т)Г _|__ТГ
Ra + dtLa
-L>r
О
d
M
dt
Lp^r
r d r R + dtLr
(2)
За допомогою встановлених причинно-наслщкових зв'язкiв даний метод забезпечуе можливiсть комп'ютерного формування системи диференцшних рiвнянь, nepeBipKy правильностi синтезу моделей та у графiчнiй формi подае наглядний опис складних об'ектiв. Тому для проведення моделювання необхiдно мати програмний пакет, який би тдтримував Bond Graph метод та давав змогу гене-рувати i розв'язувати системи диференщальних рiвнянь та отримувати залежносп миттевих параметрiв режиму роботи об'екта у функцп часу або шших координат. Таким програмним продуктом е симулятор 20-sim розроблений лабораторiею автоматизованого керування нiдерландського унiверситету Твенте. Автору вдалося отримати лщензо-вану верст програми 20-sim 3.6 07 Professional.
4.2. Розроблення ефективних комп'мтерио-opiEHTO-ваних Bond Graph моделей ЕПТМ. Розглянемо ЕПТМ, яка складаеться з асинхронного двигуна (АД) з короткоза-мкненим (КЗ) ротором, вщцентрового насосу (ВН) та затрно! арматури. Зпдно концепцiй системного пiдходу розроблено структуру Bond Graph моделi ЕПТМ (рис. 1) у виглядi енергетично сполучених тдмоделей рiзноi фiзичноi природи. До електрично! пiдсистеми входять електромережа та електрична частина АД з КЗ ротором, до мехашчно! вiдповiдно з'еднання мiж валами АД i ВН, а до гiдравлiчноi — гiдравлiчна частина ВН та пдромережа.
Шляхом порiвняльного критичного аналiзу iснуючих свiтових розробок в област Bond Graph моделювання електричних двигушв в [16] синтезовано модель АД з КЗ ротором. Математичний опис Bond Graph модел1 АД базуеться на ввдомих законах узагальнено! теори електричних машин. Модель мштить трифазну обмотку статора, пiдключену до симетричного джерела напруги. Для спрощення розрахунюв у моделi застосовано перехщ вiд трифазно! системи координат A, B, C до двофаз-но! а, ß. Рiвняння рiвновaги ЕРС в обмотках статора
де ua, Up — а, Р склaдовi напруг обмоток статора;
Р склaдовi струму вщповщно в обмотках статора i ротора;Щ, Щ, Ra, Щ — активнi опори обмоток; Lsa, Lp, La, Lp, M — власт та взаемна iндуктивностi обмоток, rar — кутова швидюсть обертання валу двигуна.
Електромагштна взаемодiя мiж статором i ротором описуеться законом Ампера, який зв'язуе потокощеплен-ня обмоток i3 струмами, що протiкають в них:
va
a_
Vp
Vp _
La M
m La.
Lp M ' M К
х "¿P "
3 _
(3)
де у а, ¥р, V а, ¥р — а, Р складовi потокозчеплення вщповвдно обмоток статора i ротора.
Електромагштний момент двигуна описуеться за законом Ленца. Цей закон зв'язуе величину моменту iз струмами в обмотках статора i ротора:
Me = p[¿a (( + Lrip ) - % ( + Lria )],
(4)
де p — число пар полюав двигуна.
Динамiчнi властивостi механiчноï частини електро-привода представленi в моделi рiвнянням руху згiдно другого закону Ньютона, який вщображае рiвновагу моменпв на валу машини:
dюr
J_ = ME - MC,
(5)
де J — момент шерцп на валу ЕПТМ, ME — електромагштний момент двигуна; MC — момент ВН, приведений до валу двигуна.
Рис. 1. Структура Band Graph медет ЕПТМ
х
J
В [17] розроблена Bond Graph модель ВН, до складу яко1 входять потокорушшна сила pgH0 — характери-зуе натр на виходi робочого колеса у режимi закрито! засувки, та набiр активних R й iнерцiйних X опорiв. Активнi опори R вщображають незворотнi втрати енергп в довкшля у виглядi тепла за рахунок сил в'язюсного тертя мiж шарами рщини та рiдиною i стшками каналу Iнерцiйнi (гiдроiндуктивнi) опори спричинюються силами iнерцii, що протидтть змiнi витрати ВН:
на виходi i входi лопатi колеса. R2, R1 — зовнiшнiй та внутршнш радiуси робочого колеса.
Перемноживши обидвi частини рiвняння (9) на ку-тову швидкiсть обертання робочого колеса, отримують в значення механiчноi потужносп, затрачено! на пере-давання енергп рiдинi:
McMimp — gQE (cu2R2Mimp - cu1R1Mii о
(10)
K x2
R=j,
K
pL
X — M impL h — Mimp ^ n , j—iSj
(6)
де р — питома густина рщини; Ф — коефiцieнт юнема-тично1 в'язкостi; х; — змочений периметр дiлянки пд-ротракту; Sj — поперечний перерiз дiлянки гiдротракту; ^гу^ — шдуктившсть (iнертнiсть) гiдравлiчного тракту ВН;ютр — кутова частота витрати, значення яко1 для спiральноi частини вщводу рiвне кутовiй частотi обертання робочого колеса.
Гiдравлiчнi процеси, яю мають мiсце у ВН вщобра-женi системою диференцiйних рiвнянь стану насоса:
dQT dQvol
pgHE — LmHQ dt--+ LdQ~dt--+ QvolRdQ + QmechRmech,
_ dQT dQhydr
pgHE — LmHQ^T+
QT — Qmech — Qvol — Qhydr —
" QhydrRdH + QhydrRhydr,
Енергетичний зв'язок (10) реалiзуeмо в Bond Graph моделi ЕПТМ за допомогою ripaTopHoro GY зв'язку i3 наступними конструктивними piвняннями:
ei(t) — rf2(t ),1 ei(t) — r/i(t ).
або
Mc (t) — rQE (t ),1
p(t) — r M imp (t).
(11)
(7)
де г — коефщент працп.
Причинно-наслiдковий зв'язок GY елементу встанов-люе перехреснi зв'язки мiж енергетичними змшними стану двигуна i насоса, тобто змiнна кутовоi швидкостi обертання вала агрегату ютр (^ утворюе гiдравлiчний тиск в насоа р^), а вщповщно об'емний розхiд рiдини QE^) формуе навантаження двигуна — момент Мс^). От-же, коефiцieнт гiрацii повинен мати однакову величину i розмiрнiсть, тобто необхiдно щоб справджувалось ств-вiдношення:
де HE, QE — вiдповiдно значення напору та об'емно! витрати рiдини ейлерiвського BH;Qj, Qhydr, QjjoI — вщповщно витрати на виходi колеса, дифузору та у вггщ зворотного зв'язку (об'емш втрати рiдини); р — густина рiдини;g — прискорення вшьного падiння; LmHQ — пдрошдуктившсть, яка вiдображае вплив скiнченноi кшькосп лопатей ВН; RdH, LdH; RdQ, LdQ — активний отр та гiдроiндуктивнiсть вщповщно вiток гiдравлiчних та об'емних втрат; Rhydr — зовнiшнiй гiдравлiчний отр натрного тракту гiдромережi.
4.3. Встановлення енергетичного взаемозв'язку м1ж моделями двигуна i насоса в структур1 ЕПТМ. Для про-ведення дослiдження единого електрогiдромеханiчного процесу ЕПТМ комплексним методом встановлено енергетичний зв'язок мiж Bond Graph моделями АД i ВН зпдно балансу механiчноi i гiдравлiчноi потужностей.
Mc Mimp — PgHEQE.
Mc (t) p(t)
Qe (t) Mimp (t)
H ■ c
(12)
Рiвняння Ейлера для ВН встановлюе залежшсть мiж гiдравлiчним тиском p(t) та кутовою швидкiстю aimp(t), з врахуванням геометричних розмiрiв робочого колеса:
pgHE (t) —
— pMimp (t)
Mimp (t)(( - R2 )-
Q(t)
2n
ctg ß2 - ctg ßi b2 b1
(13)
(8)
де HE(t) — натр рвдини, який розвивае ВН, b2, b1; ß2, ß1 — вiдпoвiднo ширина i кут нахилу лoпaтi на вихoдi та вхoдi робочого колеса ВН.
Ввдповщно до piвняння (13) коефщент гipaцii буде piвним:
У ВН вплив зовтшшх сил на попк ро6очо! рiдини вiдбуваеться через лопап робочого колеса. Таку взаемодш вiдображають через рiвняння моментiв кшькосп руху:
r — p
Mimp(t)(( -R2)-
Qe (t)
2n
ctg p2 ctg Pi
b1
(14)
Mc — -Qe (Cu2r2 - Cu1r1),
о
(9)
де cu2, cu1 — вщповщно середне значення пpoекцiй аб-солютних швидкостей на кутoвi швидкoстi вщповвдно
У вираз розрахунку коефiцiента працп входять двi змiннi rnimp(t), Qimp(t), як залежать вiд режиму роботи агрегату, тобто коефщент гiрацii змiнний, тому для зв'язку мiж моделями двигуна i насоса використаний модульований пратор MGY.
2
м
энергетика, энергосберегающие технологии и оборудование
ISSN 2226-3780
5. Рeзультати дослщжень енергетичних n0T0KiB в систeмах pi3Hoï фiзичноï природи eлeктpоnpиводних туpбомашин
Об'ектом дослгдження вибрано мапстральний насосний агрегат нафтоперекачyвальноï станцп «Плешдвка» NGK-500/450/100 iз електроприводом 4АЗМВ-2500/6000-У2 фiлiï «Мапстральт нафтопроводи «Дружба» ПАТ Укр-транснафта. Для даного агрегату розраxовано параметри Bond Graph моделi та проведено дослщження динамiчниx режимiв його роботи.
Одержат результата iмiтацiйного моделювання насосного агрегату тд час пуску його на частково вiдкритy засувку порiвнювались з аналогiчними результатами знятими експериментально (рис. 2). Експерименталь-нi пyсковi xарактеристики записувались за допомогою цифрового осцилографа типу TEKTRONIX TEKSCOPE THS720. Ввдносна поxибка одержаниx резyльтатiв не перевищувала 5 % для свинарню i 15 % для пере-xiдниx режимiв роботи насосного агрегату (табл. 2).
Таблиця 2
ПGpiвняння Gдеpжаних pезyльтатiв iмiтацiйнGГG моделювання ЕПТМ з pезyльтатами знятими експеpиментальн□
Агpегат НПС «Плещшка» NGK 500/450/100 з ^иводом асинхpGннGГG двигуна 4АЗМВ-2500/6000-У2
Найменyвання паpаме-тpiв, од. вимip. Пуско-вий стpyм статGpа, ,sn, А Уста-лений стpyм ста-тGpа, s, А ^ат-нiсть пускового dpyMy, k, Посадка напpy-ги AU, % Час пуску t, с
Band Graph модель ЕПТМ 1557,75 178,3 8,73 12,05 2,68
Експеpимент 1467,1 186,5 7,87 13,8 2,7
ВiднGсна похибка % 5,81 4,4 9,89 12,7 0,74
10000 5000
-5000
2000 1000
-1000 -2000
LUJ
г Ï3
[
times {s}
10
рис. 2. ПGpiвняння pезyльтатiв моделювання ЕПТМ з експеpиментальними щивими: а — експеpиментальнi данi знятi за допомогою ^□мисловога GсцилGгpафа TEKTRONIX TEKSCOPE THS720; б — pезyльтати моделювання за допомогою Band Graph мGделi ЕПТМ
Осюльки Bond Graph модель ЕПТМ ввдображае миттеву потужнiсть на кожному bond-зв'язку, то ана-лiзування енергетичних потоюв не викликае значних трудношдв. На будь-якому R елементi вщображено втрати енергii в кожнiй mдсистемi машини, а на I елемент вiдповiдно енергоперетворення.
Для аналiзу енергетичних потоюв мiж пiдсистемами рiзно'i фiзично'i природи ЕПТМ у контрольних точках моде.гп вста-новлеш давач1 миттевих значень потужностi. Зокрема в електрич-нiй пiдсистемi давач встановлений в одну i3 фаз статора двигуна та розрахунок проводиться за на-ступною формулою:
В мехашчнш пiдсистемi давач встановлено на валу пдромашини, а в у гiдравлiчнiй пiдсистемi — на натр-ному патрубку вщцентрового насосу Миттевi потужносп розраховуються вiдповiдно до рiвняння балансу (8). Графiчнi залежностi миттевих потужностей у пщсистемах рiзноi фiзичноi природи ЕПТМ за умови запуску ii на вщкриту засувку зображено на рис. 3.
model
Pel = 3 ■ Usa (t) ■ isa (t),
(15)
1.ве+007 1 Ae '007 1 2e+007 1e+007 Se+006 6e+006 4e+006 2e+006 0
- Р el -¡W} - Р mech{W} - Р hydr{W}
-i
2 3
де Usa (t ), isa (t ) — вщповщно мит-
тeвi значення напруги та струму на затискачаx однieï фази статорноЛ обмотки двигуна; t — час пуску.
time {s}
рис. 3. Гpафiчнi залежносп миттЕвих потужностей y пiдсистемах piзнGÏ фiзичнGÏ npnpüw ЕПТМ: 1 — пiдведена еле^ична потужшсть до двигуна; 2 — мехашчна потужшсть на валy; 3 — пдаамчна потужшсть на напipнGмy патpyбкy насоса
а
16
технологический аудит и резервы производства — № 2/1(22), 2015
6. Обговорення результапв дослщження електрогщромехашчного процесу роботи турбомашини
Застосування методу Bond Graph дае змогу врахо-вувати взаемовплив електромагнiтних, мехашчних i пд-равлiчних процесiв на режими роботи ЕПТМ. В результат проведених дослвджень отримано числову множину та графiчнi залежност миттевих значень потужност електродвигуна, механiчноi потужност на валу пдрома-шини та гiдравлiчноi потужностi на напiрному патрубку насоса. Спираючись на отриманi результати проаналiзова-но ефективнiсть перетворення енергп у кожнiй фiзичнiй областi турбомашини. Оскшьки в моделi використовують миттевi значення потужностей, то за допомогою стан-дартних алгоритмiв доцiльно переходити до середшх значень за перюд i за час перехiдного процесу Середне значення активноi i реактивноi потужностi дають змогу пiд час виршення практичних задач використовувати поняття ККД i cos ф в динамiчних режимах роботи. В подальшому це дасть можливiсть розробляти i впрова-джувати заходи з енергозбереження в електротехтчних комплексах промислових тдприемств.
7. Висновки
В результатi проведених дослщжень:
Запропоновано спосiб аналiзу енергетичних потоюв в системах рiзноi фiзичноi природи електроприводних турбомашин.
Встановлено енергетичний зв'язок мiж Bond Graph моделями асинхронного двигуна i вiдцентрового насоса з метою проведення дослщження единого електрогщромехашчного процесу комплексним методом.
Отримано графiчнi залежностi миттевих значень по-тужностi електродвигуна, механiчноi потужностi на валу гщромашини та гiдравлiчноi потужност на напiрному патрубку насоса.
Проаналiзовано ефективнiсть перетворення енергп у кожнш фiзичнiй област турбомашини.
Лiтература
1. Мехович, С. А. Электропривод как энергосберегающий фактор в промышленности и ЖКХ Украины [Текст] / С. А. Мехович, В. А. Барский, А. С. Бешта, Н. В. Горбачев, М. В. За-гирняк, В. Б. Клепиков, О. Ю. Лозинский, А. В. Пересада, А. В. Садовой, О. И. Толочко // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. — 2013. — № 9(115). — С. 2-11.
2. Мехович, С. А. Экономический, энергоресурсосберегающий и экологический аспекты экономии электроэнергии в Украине [Текст] / С. А. Мехович, В. Б. Клепиков, С. В. Клепко-ва // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. — 2010. — № 12(82). — С. 43-47.
3. Клепиков, В. Б. О роли электропривода в решении проблемы энергоресурсосбережения в Украине [Текст] / В. Б. Клепиков, В. Ю. Розов // Вестник НТУ «ХПИ». Серия «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика». — 2010. — № 28. — С. 18-21.
4. Костишин, В. С. Оптим1зац1я режим1в роботи нафтопере-качувальних станцш за критер1ем мМмального електро-споживання [Текст] / В. С. Костишин, I. I. Сорохтей // Вюник КДУ ¡меш Михайла Остроградського. — 2010. — № 3(62). — С. 15-17.
5. Мамедов, А. И. Упрощенный численный метод расчета переходных процессов в магистральном нефтепроводе при пуске насосного агрегату на режим [Электронный ресурс] / А. И. Мамедов, Э. Я. Алиев // Проблемы энергетики. — 2007. — № 2. — 7 с. — Режим доступа: \www/URL: http://www.elm.az/ physics/PowerEng/2007/v2article/art21.pdf
6. Сулейманов, Р. Н. Эффективность работы насосных агрегатов [Текст] / Р. Н. Сулейманов, А. С. Галеев, Г. И. Бик-булатова. — Уфа: УГНТУ, 2004. — 100 с.
7. Бур'ян, С. О. Дослщження модел1 вщцентрового насосу у пакета SIMHYDRAULICS [Електронний ресурс] / С. О. Бур'ян, С. В. Ульянченко, О. В. Кононський. — Нацюнальний техшч-ний ушверситет Украши «Кшвський полгтехшчний шститут», 2010. - Режим доступу: \www/URL: http://so-buryan.edu. kpi.ua/attachments/stud_2010_1.pdf
8. Коренькова, Т. В. Методология энергоресурсосбережения в электрогидравлических комплексах [Текст] / Т. В. Корень-кова // Электротехнические и компьютерные системы. — 2014. — № 15(91). — С. 114-120.
9. Ratliff, R. Modeling of vertical centrifugal pumps for failure analysis and redesign [Text]: Thesis Master of Science in Engineering / Ryan Ratliff. — Austin: The University of Texas at Austin, 1993. — 158 p.
10. Choi, J. Model based diagnostics of motor and pumps [Text]: The Dissertation Doctor of Philosophy / Ji-Hoon Choi. — Austin: The University of Texas at Austin, 2006. — 90 p.
11. Mosterman, P. Hybrid Dynamic Systems: a Hybrid Bond Graph Modeling Paradigm and its Application in Diagnosis [Text]: The Dissertation Doctor of Philosophy / Pieter J. Mosterman. — Nashville: The University of Vanderbilt, 1997. — 233 p.
12. Mezghanni, D. Linearizing control of a photovoltaic structure and stability by Lyapunov directly on Bond Graph [Electronic resource] / D. Mezghanni, M. Ellouze, I. Cabani, A. Mami // Journal of Electrical Systems. — 2007. — Vol. 3. — P. 189-203. — Available at: \www/URL: http://journal.esrgroups.org/jes/ papers/3_4_1.pdf
13. Костишин, В. Створення комп'ютерно-ор1ентованих моделей електроприводних агрегаив нафтогазово'1 промисло-вост [Текст] / В. Костишин, П. Курляк // Нафтогазова енергетика. — 2007. — № 1(2). — С. 50-56.
14. Paynter, H. M. Analysis and Design of Engineering Systems [Text] / H. M. Paynter. — Cambridge, MA.: M.I.T. Press, 1961. — 268 p.
15. Rosenberg, R. C. Introduction to physical system dynamics [Text] / R. C. Rosenberg, D. C. Karnopp. — New York, NY: McGraw Hill, 1983. — 176 p.
16. Костишин, В. Bond Graph модель асинхронного двигуна з врахуванням насичення магштопроводу та ефекту витюнення струму в ротор1 [Текст] / В. Костишин, П. Курляк // Нау-ковий вюник 1вано-Франгавського нацюнального техшчного ушверситету нафти i газу. — 2011. — № 4(30). — С. 32-37.
17. Костишин, В. Bond Graph модель мапстральних вщцентрових насоав нафтоперекачувальних станцш [Текст] / В. Костишин, П. Курляк // Розвщка i розробка нафтових i газових родовищ. — 2007. — № 1(22). — С. 56-63.
АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТОКОВ В СИСТЕМАХ РАЗЛИЧНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДНЫХ ТУРбОМАШИН
Предложен способ анализа энергетических потоков в системах различной физической природы электроприводных турбомашин. Для проведения исследования единого электрогидромеханического процесса комплексным методом установлена энергетическая связь между Bond Graph моделями асинхронного двигателя и центробежного насоса. Проанализирована эффективность преобразования энергии в каждой физической области турбомашины и разработаны рекомендации по эффективному использованию энергоресурсов.
Ключевые слова: Bond Graph, энергетика, асинхронный двигатель, центробежный насос, турбомашины, мгновенные мощности.
Курляк Петро Омелянович, кандидат техтчних наук, кафедра електропостачання та електрообладнання промислових тдприемств, 1вано-Франтвський нацюнальний техтчний утверситет нафти i газу, Украта, е-mail: pkurlyak@gmail.com.
Курляк Петр Емельянович, кандидат технических наук, кафедра электроснабжения и электрооборудования промышленных предприятий, Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа, Украина.
Kurlyak Peter, Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas, Ukraine, е-mail: pkurlyak@gmail.com
