CC BY
226
Список литературы
1. Методические рекомендации по приближенному расчету эффективности применения регулируемого электропривода в насосных установках систем водоснабжения // ВИЭСХ, ВАСХНИЛ, М., 1980.
2. Рекомендации по применению регулируемого электропривода в системах автоматического управления водопроводных и канализационных насосных установок // М., ВНИИ ВОДГЕО. 1987.
3. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках . М.: Энергоатомиздат, 2006.
B. Leznov
Estimation of efficiency of the adjustable electric drive in pump installations of water supply and water removal
The methods of valuation adjustable speed drives at water and sewage pump houses are presented.
Keywords: energy savings, pump unit, adjustable electric drive.
Получено 06.07.10
УДК 629.9:502.14:62-83
Р.Г. Мугалимов, канд. техн. наук, доц., (3519) 29-84-16, magtu@magtu.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова), В.И. Косматов, канд. техн. наук, проф. (3519) 29-84-16, magtu@magtu.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова), А.Р. Мугалимова, асп., (3519) 29-84-16,
magtu@magtu.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова) ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ
И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ НА ОСНОВЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Обсуждаются результаты исследования энергоэффективности нерегулируемых и регулируемых электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе энергосберегающих асинхронных двигателей. Применение энергосберегающих асинхронных двигателей позволяет снизить удельный расход электрической энергии на 9,5...9,7 %, по сравнению с применением традиционных двигателей.
Ключевые слова: энергосберегающие свойства, регулируемый и нерегулируемый электропривод, электропотребление, частота вращения, математические соотношения.
Целью данной работы является сравнительная оценка энергосберегающих свойств регулируемых и нерегулируемых электроприводов насос-
ных агрегатов, созданных на основе энергосберегающих асинхронных двигателей (ЭАД) и традиционных асинхронных двигателей (ТАД), а также систем ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД.
Для достижения цели решались следующие задачи:
1. Разработка математического описания электропотребления установившихся режимов нагрузок и электропотребления нерегулируемых и регулируемых электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД и ТАД.
2. Разработка методики и алгоритма компьютерного моделирования установившихся режимов работы электроприводов на основе ТАД и ЭАД, ПЧ-ТАД и ПЧ-ЭАД насосных агрегатов.
3. Моделирование электропотребления для заданного графика подачи жидкости насосных агрегатов.
4. Анализ результатов моделирования. Сравнительная оценка энергосберегающих свойств электроприводов, созданных на основе ТАД и ЭАД, ПЧ-ТАД и ПЧ-ЭАД насосных агрегатов.
Режим нагрузок насосного агрегата задан графиком подачи жидкости в функции времени, (рис. 1).
12 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 3 14 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 20 21 22 23 24
Рис. 1. Суточный график подачи воды
100
1. ч
Математическое описание электропривода насосного агрегата представляется двумя блоками уравнений. Первый блок уравнений описывает непосредственно энергетические соотношения насоса и трубопровода [1], а второй блок - энергетические соотношения в его асинхронном электроприводе [2, 3].
Математические соотношения, определяющие энергетику насоса. Уравнение напорно-расходной характеристики насоса имеет вид
Н1 = Нф - (1) где Н - напор насоса, м; Нф - фиктивный напор при нулевой подаче насоса, т.е. при 0=0; Бф - гидравлическое фиктивное сопротивление насоса,
2 5 3
с /м ; - подача насоса, м /ч.
Мощность насоса N1 определяется уравнением
N (Вт),
п ■ 3600
(2)
3 2
где р - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м ; g =9,81 м/с - ускорение свободного падения; п - КПД насоса, о. е.; 3600 - число секунд в одном часе.
КПД насоса зависит от частоты вращения рабочего колеса, т.е. от частоты вращения его электропривода (п|) и от подачи 01.
В зависимости от частоты вращения КПД насоса определяется выражением
= 1 1 птах пн ПтахП = 1 - ( *ч0,36
(щ)
(3)
где Птах п - максимальный КПД насоса при номинальной частоте враще-
н
*
ния (приводится в паспортных данных насоса); щ - относительная частота
*
вращения насоса, щ = щ / пн; пн - номинальная частота вращения рабочего колеса насоса, об/мин., (приводится в паспортных данных насоса).
При постоянной частоте вращения рабочего колеса КПД насоса зависит от подачи и определяется уравнением
П =
1 - (1 - б*)2,3
' птах
щ
(4)
1»
где б = б / бб - относительная подача насоса; 0б=0н - большая (номинальная) подача насоса при номинальной частоте вращения насоса.
При работе насоса с переменными частотами вращения и подачами его напор определяется уравнением
Н (п] б) = Нф
2
V пн У
Яфб1.
(5)
Напорно-расходная характеристика трубопровода НТ1(01) описывается уравнением
НТг = Нп + Ят б2 (6)
где НТ - напор в начале трубопровода (диктующая точка), м; Нп=Нст - напор противодавления или статический напор м; - гидравлическое сопротивление трубопровода, с2/м5.
При работе насоса с подачей жидкости в трубопровод величина подачи от частоты вращения определяется уравнением:
б = бб
(щ / Пн )2 - (Нп / Нф)
1 - (Нп / Нф) • (7)
Частота вращения рабочего колеса насоса определяется зависимо-
стью
щ = п
н
Н
с
п
Н
+
ф
1 _ Нп
Н
ф
V
аб
\2
у
(8)
Рабочая часть механической характеристики насоса описывается уравнением:
Г
М
с1
М.
с
П1
V П у
(9)
где к - коэффициент, характеризующий крутизну напорно-расходной характеристики насоса; для реальных насосов к=2.. .5; при работе насоса с Нп=Нст=0 коэффициент к=2.
Блок уравнений, описывающих электрическую часть насосного агрегата. Эти уравнения основаны на математических соотношениях, определяющих рабочие и механические характеристики асинхронного двигателя. Рабочие и механические характеристики получаются из решения электрических схем замещения ТАД и ЭАД, где сопротивление, пропорциональное гидравлической мощности насоса определяется уравнением
Я
т1 ■ и1
т
2 Р.
Як +
2/
\
т1 ■ иЬ
2 Р
■Я,
2/
■2'
(10)
/2 2 /2 2 где 2К =у! Як + Хк = у Як + (2п /ц (/ + Ь '2)) - модуль полного сопротивления короткого замыкания; Ь1, Ь'2 - индуктивности обмоток статора, ротора при частоте тока ^=:Т1н.
При моделировании режимов работы электроприводов насосных агрегатов для решения уравнения (10) механическая мощность двигателя принимается равной механической мощности насоса, т.е. Р21=К21. Причем при моделировании нерегулируемых электроприводов напряжение и частота тока источника питания принимаются равными номинальным значениям:
иц = иы; /1/ = /1н. (11)
Для регулируемого электропривода ПЧ-АД при определении напряжение и частота тока источника питания определяются с учетом принятого закона изменения отношения к=ипЯп:
и1/ = ки ■ и1н; /1/ = к/1 ■ /1н. (12)
Частота вращения рабочего колеса насоса, равная частоте вращения ротора АД при нагрузке Р2ь приложенной к валу, на линейной рабочей части механической характеристики, определяется уравнением
п2/ = п1/ ■ (1 _ sн ■ Р2/ / Р2н ). (13)
Частота вращения магнитного поля АД
п1/ = п2/ /(1_ Ян ■ Р2/ /Р2н ).
(14)
Частота тока Гц ПЧ
Гм
п2г ' р
60(1 - Sн • Р2г / Р2н ) 15)
Законы регулирования выходных параметров ПЧ задавались отношениями:
иц = 1
а)
б)
и
1н
Пи.
V и1н У
Лн \Р
или ки=кЯ где кЯ = /ц / Я1н;
\Р
А
Ан
или кщ=к/р.
Напряжение на выходе ПЧ определяется:
- для отношения вида «а» Пц = кц • = к/ • Ц1н;
- для отношения вида «б» Цц = П^ рк/р .
Электропотребление, показатели энергоэффективности исследуемых вариантов электроприводов определяли по общеизвестным уравнениям.
Моделировали электропотребление насосной установки типа АНУ3 АЦМС 90 (производитель «ЛИНАС», г. Москва) теплового пункта МП трест «Теплофикация» г. Магнитогорска, реализующие суточный график подачи воды, представленный на рис. 1. Тип и номинальные данные асинхронных двигателей: ТАД - АИР 180Б2 У3, Р2н=22 кВт; и1н=220 В; Пн=0,88; соБфн=0,91; 1н=41,6 А; ЭАД - АИР 18082 У3, Р2н=22 кВт; и1н=220 В; пн=0,92; соБфн=1,0; 1н=36,2 А. Параметры электрических схем замещения ТАД и ЭАД приведены в таблице. Активные сопротивления схем замещения приведены для температуры 75 °С.
Параметры электрических схем замещения_ ТАД и ЭАД
Эл. К-ь и Ьц, Ь'2, Я'э, Ь'3, С'3, К-ммд,>
схемы Ом Гн Гн Ом Гн Ом Гн мкФ Ом
ТАД 0,255 0,00153 0,0606 0,131 0,00185 - - - 150
ЭАД 0,319 0,00115 0,163 0,131 0,00185 0,255 0,00038 100 150
Главные результаты моделирования представлены на рис. 2. Снижение удельного расхода электрической энергии электроприводами позволяет для насосной установки типа АНУ3 АЦМС 90 экономить в год:
- для нерегулируемого электропривода на основе ЭАД по сравнению с ТАД
Э=0-Т-К-^утад- ^^уЭАД )=1310-365-3-(0,46-0,416)=63116 кВт-ч;
- для регулируемого электропривода на основе ПЧ-ЭАД по сравнению с ПЧ-ТАД
Э=Q•Т•N•(Wупч-тАд- Wупч-ЭАД )=1310-365-3-(0,165-0,149)=22950 кВт-ч,
где (3 - суточная подача воды, м ; Т - число дней в году; N - число насосных агрегатов в насосной установке.
ш
ми
1 234 56789 10 11 12 13 И Номер подачи
1
1
1и>. -- ■
П1 И п п ли
■тда
■ЭАД
1 2 3
6 7 8 9 10 11 12 13 14 Номер подачи
а
б
Рис. 2. Зависимости удельных расходов энергии от подачи: а - для нерегулируемых электроприводов насосных агрегатов и при дроссельном регулировании подачи жидкости;
б - для регулируемых электроприводов насосных агрегатов при использовании системы ПЧ-АД
Каждый киловатт установленной мощности ЭАД, работающего от электросети, позволяет в год экономить:
- для нерегулируемого электропривода на основе ЭАД
ДЭ=Э/Руст=Э/Р2н№63116/22-3=956,3 кВт-ч;
- для регулируемого электропривода на основе ПЧ-ЭАД
АЭ=Э/Русг=Э/Р2н№22950/22-3=347?7кВтч.
Анализ результатов математического моделирования, полученных с помощью разработанной методики определения электропотребления и показателей энрегоэффективности электроприводов насосных агрегатов и принятых допущениях, позволяет утверждать:
1) электроприводы насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД энергоэффективнее электроприводов насосных агрегатов на основе ТАД на 9,5...9,7%;
2) среднее потребление тока нерегулируемыми электроприводами на основе ЭАД (34,68 А) ниже, чем среднее потребление тока электроприводами на основе ТАД (42,19 А) на 17 %;
3) среднее потребление тока регулируемыми электроприводами на основе ПЧ-ЭАД (16,46 А) ниже, чем среднее потребление тока электроприводами на основе ПЧ-ТАД (23,5 А) на 29 %.
Список литературы
1. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. М.: Энергоатомиздат, 2006. 360 с.
2. Асинхронная компенсированная электрическая машина: пат. 2112307 ГШ, МКИ 6 Н02 К 17/28. 1998.
70
3. Мугалимов Р.Г., Косматов В.И., Мугалимова А.Р. Метод и алгоритм проектирования компенсированного энергосберегающего асинхронного двигателя // Сборник материалов 5-й Международной (16-й Всероссийской) научной конференции: 18-21 сентября 2007 г. Санкт Петербург, СПб, 2007.
R Murgalimov, V. Kosmatov, A. Murgalimova
Research of power consumption and power efficiency of electric drives ofpump units on the basis of energy saving asynchronous engines
The results of the study of energy efficiency of unregulated and regulated electric pump units that are based on power saving asynchronous engines are discussed. The use of power saving asynchronous engines can reduce the specific consumption of electric power to 9,5...9,7 %, compared with traditional engines.
Keywords: power saving features, unregulated and regulated electric drive, power consumption, frequency of rotation, mathematical parities.
Получено 06.07.10
УДК 629.9:502.14:62-83
Ю.С. Усынин, д-р техн. наук, проф., (351) 267-93-21, m.grigoryev@momentum.ru (Россия, Челябинск, ЮУрГУ), М.А. Григорьев, канд. техн. наук, доц., (351) 267-93-21, m.grigoryev@momentum.ru (Россия, Челябинск, ЮУрГУ), А.Н. Шишков, доц. (351) 267-93-21, m.grigoryev@momentum.ru (Россия, Челябинск, ЮУрГУ), А.Н. Горожанкин, асп., (351) 267-93-21, m.grigoryev@momentum.ru (Россия, Челябинск, ЮУрГУ), А.Е. Бычков, студ. (351) 267-93-21, m.grigoryev@momentum.ru (Россия, Челябинск, ЮУрГУ)
НОВЫЕ ВЫСОКОМОМЕНТНЫЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С СИНХРОННОЙ РЕАКТИВНОЙ МАШИНОЙ НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Приводятся принцип работы, экспериментальные характеристики, сравнение с другими типами электроприводов, функциональные схемы электроприводов с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения. Обращается внимание на высокие удельные показатели и благоприятные эксплуатационные характеристики электропривода.
Ключевые слова: электропривод, асинхронный двигатель.
Введение. Системный подход к разработке современных сложных электроприводов и, в первую очередь, учёт взаимодействия между электрической машиной и вентильным преобразователем приводят к нетради-
