CC BY
73
УДК 621.67
О. А. Лысенко, А. В. Дегтярев, Р. Н. Хамитов
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА В СИСТЕМЕ «АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ - ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС»
В статье рассматриваются вопросы моделирования динамических процессов системы «асинхронный двигатель - центробежный насос» насосных установок. Разработанная математическая модель базируется на совместном рассмотрении механических, гидравлических и электрических подсистем, из которых состоит рассматриваемый комплекс в целом.
В условиях современных экономических отношений возникает необходимость повышения эффективности использования всех видов энергоресурсов с применением в широких масштабах энергосберегающих технологий. Одним из важных ресурсов в решении этой задачи является снижение энергопотребления на промышленных объектах средствами автоматизированного электропривода. Механизмы центробежного действия являются массовыми и энергоемкими потребителями электрической энергии, широко используемыми в энергохозяйствах железнодорожных станций системы ОАО «РЖД». В настоящее время в мировой практике существует устойчивая тенденция замены нерегулируемых электроприводов центробежных насосов (ЦН), компрессоров, вентиляторов на регулируемые системы [1 ].
В качестве систем автоматизированного электропривода центробежных насосов наибольшее распространение получили регулируемые электроприводы на базе наиболее простого и надежного асинхронного двигателя (АД). Ведущими мировыми производителями выпускаются и постоянно совершенствуются приводы с управлением от вентильных преобразователей по схеме «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» (ПЧ - АД). Непрерывный переход на более современную элементную базу позволил значительно улучшить массогабаритные, энергетические и эксплуатационные показатели. Частотное управление является наиболее экономичным способом плавного регулирования частоты вращения АД, так как он во всем диапазоне регулирования работает с малой величиной скольжения ротора (малыми потерями скольжения), имеет высокий КПД и хорошую жесткость механических характеристик.
Установки центробежных насосов (УЦН) электротехнических комплексов (ЭТК) станций перекачки жидкости, как правило, моделируются с помощью обобщенных интегральных характеристик, не позволяющих исследовать поведение ЭТК в динамических режимах работы. Эти режимы обусловлены широким применением в составе УЦН статических преобразователей частоты, а также непостоянным, непрерывно меняющимся потреблением жидкости, имеющим место во многих современных технологических циклах. Исследования ЭТК, построенных с использованием динамических моделей ЦН, необходимы для реализации эффективного и энергосберегающего регулирования технологических параметров (напора и расхода) гидросети. Станции перекачки жидкости в силу технологических процессов обладают одним из самых высоких потенциалов применения энерго- и ресурсосберегающих технологий.
Режимы работы ПЧ и АД определяются в конечном итоге заданными параметрами трубопровода и характеристиками насоса. С этой точки зрения проведено недостаточно исследований системы «регулируемый электропривод - насосный агрегат» в комплексе. Режимы работы, параметры регулирования ЦН, которые определяют требования к электроприводу, различны в зависимости от назначения агрегатов. Правильный выбор системы электропривода, разработка оптимальных законов управления двигателем и преобразователем должны опираться на точную идентификацию центробежного агрегата как нагрузки привода. Необходимо получить взаимозависимости основных параметров режимов работы насоса, трубопровода, двигателя и преобразователя как составляющих единой системы.
30 ИЗВЕСТИЯ Транссиба _№ 3(15) 2013
= _
Для решения указанных задач необходимо рассмотреть вопросы моделирования отдельных элементов системы электропривода УЦН.
При разработке модели УЦН используется подход, который базируется на совместном рассмотрении механических, гидравлических и электрических подсистем, из которых состоит комплекс УЦН в целом.
В качестве модели электрической подсистемы используется двухконтурная схема замещения асинхронного двигателя.
В основе методики построения математической модели центробежного насоса лежит подход, взятый за основу в работе В. С. Костышина [2]. Рассматривая математические модели отдельных устройств, входящих в состав УЦН, определяя взаимосвязи между отдельными элементами и используя уравнения связи между подсистемами, авторы создали общую систему уравнений УЦН, соответствующую схеме, приведенной на рисунке 1 [3].
Электрическая подсистема
Механическая подсистема Гидравлическая подсистема
Рисунок 1 - Схема замещения УЦН
Т — V — V — Т — Т = О
-Ч 21 22 1К\2 1 Х\2 и'
Т /? — Т У — О-
1т21Хп 1 Х\2Л\2 ~
Г21(^ + ]Х'21)-1хи]Хи = 0-я
/22 + ¡Х22) -1 ХУ1]ХУ1 = 0;
. 1 _ с
Е{) (1 _ с) = т[( 1'2 О2 Я'2! + (1'2 2)2 Я'2 2]-
5
■1=0:
1-1.-1,
(1 - (1 - .V) - 1и]Хи0(\ - 8) - /мех(Дмех + ]ХывД - *))) = 0
-цО
(1)
(2)
(3)
(4)
(1 - *)(/ д + }ХЮ_ (1 - 5)) - (1 - 5)) = 0;
(1 - л)(/д (Яш + ]ХШ (1 - 5)) + /Лаг + pgЯcт - /д (Ддо + ]ХЮ_ (1 -*))) = о.
№203(1з5) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 31
Система уравнений (1) представляет собой математическую модель электрической подсистемы. Уравнение (2) является уравнением связи между электрической и механической подсистемами. Уравнение (3) представляет собой математическую модель механической подсистемы. Уравнение (4) является уравнением связи между механической и гидравлической подсистемами. Уравнения (5) представляют собой математическую модель гидравлической подсистемы.
В уравнениях (1) - (5) 1ХЛ'2ХЛ'22^К\2^Х\2 ~ токи в соответствующих ветвях схемы замещения АД; /г = Ог - ток - аналог суммарного расхода; /мех = <9мех - ток - аналог расхода ветви механических потерь; /т = 0т - ток - аналог расхода идеального центробежного насоса (ИЦН); 1М=0 - ток - аналог расхода ветви учитывающей потери в зависимости от количества лопастей; 1А=0А - ток - аналог расхода объемных потерь; /д = 0Д - ток - аналог действительного расхода насоса; pgHcт - противоЭДС, моделирующая статический напор в трубопроводе; - ЭДС холостого хода; Рмех - механическая мощность; Рзл - электриче-
ская мощность; К - активное сопротивление статора; , К^ - активные сопротивления ротора; К2 - активное сопротивление цепи намагничивания; Х1 - реактивное сопротивление статора; Х21 ,Х'22 - реактивные сопротивление ротора; Х12 - реактивное сопротивление цепи намагничивания; Хмех - реактивное сопротивление, которое характеризует механические потери; К - активное сопротивление, которое характеризует механические потери; Х^д - реактивное сопротивление, которое характеризует изменение расхода жидкости в зависимости от количества лопастей; Х^ - реактивное сопротивление, которое характеризует изменение напора жидкости в зависимости от количества лопастей; ЯАд и ХАд - активное и реактивное сопротивления, учитывающие объемные потери; ЯАН - активное сопротивление, учитывающее потери напора в отводе; Х - реактивное сопротивление, учитывающее потери напора в отводе; К,г - активное сопротивление, учитывающее потери в нагрузке.
В целом уравнения (1) - (5) являются полной математической моделью системы «АД - ЦН», представленной взаимосвязанными и взаимодействующими электрической, механической и гидравлической подсистемами.
Для элементов рассматриваемых элементов (ЦН марки К8/18, а также АД марки АД80А2У3) найдены соответствующие параметры схемы замещения, определенные согласно методикам, предложенным в работах [2, 4] (таблицы 1 и 2).
Таблица 1 - Значения параметров схемы замещения ЦН типа К8/18
Х , Ом мех у Кмех , Ом Хн, Ом Х*, Ом ХАд , °м Ка6 , Ом ХАН , Ом Кан , Ом
185,055 221,964 95,2 85,782 9,418 5542,473 7,127 0,305
Таблица 2 - Значения параметров схемы асинхронного двигателя типа А80А2УЗ
К, Ом Я'21, Ом Я'22, Ом Я12, Ом Х! , Ом Х '21, Ом Х '22, Ом Х12, Ом
5,908 4,105 16,701 710,375 3,790 8,156 11,522 194,293
Уравнение связи между асинхронным двигателем и центробежным насосом имеет вид [3]:
МА = к К > (6)
где Мн - момент нагрузки асинхронного электродвигателя (АД); сот - угловая скорость вращения асинхронного электродвигателя; кю - коэффициент отношения текущей угловой
№ 3(15) 2013
скорости вращения центробежного насоса к номинальной; й0 - напор холостого хода ЦН;
^ - суммарная подача насоса модели ЦН.
Структурная схема динамической модели для УЦН на базе «АД - ЦН» представлена на рисунке 2.
ип
Л
Мн
V
Кн
АД ЦН
м >
Ян
Чн
Рисунок 2 - Структурная схема динамической модели УЦН: /- частота питающего напряжения; ит - питающее напряжение; М- момент, развиваемый АД; Яняг - сопротивление нагрузки ЦН; дн и Ин - подача и напор ЦН соответственно
Результаты моделирования асинхронного двигателя А80А2У3 и насоса при прямом пуске двигателя (р = 1000 кг/м , и = ином,/=./ном) представлены на рисунках 3 - 6. Моделирование осуществлялось с использованием пакета МайаЬ - 81шиНпк.
м
а б
Рисунок 3 - Механические характеристики: а - двигателя; б - насоса (штриховой линией показана зависимость при квадратичном изменении момента Мн = &ют2 + М^)
№ 0(15) 2013
а б
Рисунок 4 - Зависимости тока статора (а) и потокосцепления (б)
а б
Рисунок 5 - Зависимости момента двигателя (а) и скорости вращения (б)
а б
Рисунок 6 - Зависимости момента сопротивления ЦН (а) и мощности, потребляемой ЦН (б)
Если проанализировать полученные зависимости, то видно, что механическая характеристика центробежного насоса отличается от характеристики, полученной с помощью традиционно применяемой зависимости [5] - Мн = £юш2 + Мтр, что говорит от том, что показатель степени при угловой скорости больше двух.
Достоверность математического моделирования подтверждается сопоставлением теоретических результатов, полученных по результатам исследования математической модели, с экспериментальными данными, полученными с помощью гидравлического стенда [6]. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 15 %.
Таким образом, созданная математическая модель динамической системы «асинхронный двигатель - центробежный насос», представленной взаимосвязанными и взаимодействующими электрической, механической и гидравлической подсистемами, позволяет получить основные динамические характеристики системы для основных эксплуатационных режимов работы УЦН (пуск, останов, сброс или наброс нагрузки).
Список литературы
1. Белов, М. П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: Учебник для вузов [Текст] / М. П. Белов, В. А. Новиков, Л. Н. Рассудов. - М.: Академия, 2004. - 576 с.
2. Костышин, В. С. Моделирование режимов работы центробежных насосов на основе
№ 3(15) 2013
электрогидравлической аналогии [Текст]: Дис... канд. техн. наук / Костышин Владимир Степанович. - Ивано-Франковск, 2000. - 115 с.
3. Лысенко, О. А. Исследование электротехнических комплексов с использованием динамических моделей центробежных насосов [Текст]: Автореф. дис. канд. техн. наук / Лысенко Олег Александрович. - Омск, 2012. - 21 с.
4. Мощинский, Ю. А. Определение параметров схемы замещения асинхронной машины по каталожным данным [Текст] / Ю. А. Мощинский, В. Я. Беспалов, А. А. Кирякин // Электричество. -. 1998. - № 4. - С. 38 - 42.
5. Онищенко, Г. Б. Электрический привод [Текст] / Г. Б. Онищенко. - М.: РАСХН, 2003. -362 с.
6. Лысенко, О. А. Гидравлический стенд для исследования авиационных электротехнических комплексов [Текст] / О. А. Лысенко, А. В. Дегтярев, Р. Н. Хамитов // Решетневские чтения: Матер. XVI междунар. науч. конф.: В 2 ч. / Сибирский гос. аэрокосмический ун-т им. академика М. Ф. Решетникова. - Красноярск, 2012. - Ч. 1. - С. 316, 317.
УДК 629.4.027
В. А. Нехаев, В. А. Николаев, Е. П. Челтыгмашев
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГРУЗОВЫХ ПОЕЗДОВ И
СПОСОБЫ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ
Выполнен анализ эффективности эксплуатации парка грузовых вагонов, обращающихся на российских железных дорогах, показаны недостатки базовой тележки модели 18-100, а также ее модификаций и иностранных аналогов. Предложен способ повышения эффективности динамических свойств грузового вагона с тележкой, имеющей новую конструкцию рессорного подвешивания, основанную на принципе компенсации внешних возмущений, и представлены ее преимущества.
На итоговом заседании правления ОАО «РЖД» в 2012 г. его президент В. И. Якунин в своем докладе отметил: «Снижается конкурентоспособность всего железнодорожного транспорта, а грузоотправители из-за ухудшения качества обслуживания начинают рассматривать альтернативные варианты доставки грузов».
В современных экономических условиях к подвижному составу предъявлены такие противоречивые требования, как низкая начальная стоимость, своевременная доставка грузов, обеспечение требуемого уровня безопасности движения грузовых поездов и существенного снижения эксплуатационных расходов на их тягу и ремонт подвижного состава.
По данным железных дорог ущерб от нарушений требований безопасности движения ежегодно превышает десятки миллионов рублей, а с учетом потерь от задержек поездов, вследствие перерыва движения размеры убытков значительно выше. При этом свыше трети этих убытков обусловлено отступлениями от норм содержания верхнего строения пути и эксплуатацией морально и физически устаревшего подвижного состава. Например, в условиях Кузбасского региона Западно-Сибирской железной дороги сумма затрат на деповский ремонт одного полувагона составляет порядка 120 тыс. р. По подтвержденному нагреву буксовых узлов ежегодно на сети железных дорог ОАО «РЖД» происходит свыше 20 тыс. отцепок грузовых вагонов. На обеспечение эксплуатационной работы вагонного хозяйства инфраструктуры ОАО «РЖД» только в 2011 г. израсходовано почти 31 млрд р.
Острая необходимость повышения эффективности и конкурентоспособности железнодорожного транспорта России ставит крайне важную задачу существенного повышения провозной и пропускной способностей железных дорог. Одной из основных негативных причин, препятствующих этому, по нашему мнению, являются низкие динамические качества ходовой части грузовых вагонов, основу которых составляют морально устаревший аналог те-
№3(15) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 35
