автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электропривод насосного агрегата на основе энергосберегающего асинхронного двигателя

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

На правах рукописи

МУГАЛИМОВА Алия Рифовна

ЭЛЕКТРОПРИВОД НАСОСНОГО АГРЕГАТА НА ОСНОВЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Специальность 05.09.03 -Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2010

004603981

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор

Косматов Валерий Иванович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Сарваров A.C.

- кандидат технических наук Маколов В.Н.

Ведущая организация - МП трест «Водоканал» МО г. Магнитогорск

Защита диссертации состоится «11» июня 2010 года в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова по адресу: г. Магнитогорск, пр. Ленина, д. 38, ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «МГТУ», автореферат размещен на сайте http://www.magtu.ru

Автореферат разослан «08» мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из главных ресурсов, используемых человеком для жизнеобеспечения и производственной деятельности, является вода и другие жидкости. Для их транспортирования по трубопроводам применяются насосные агрегаты и установки, приводимые в движение трехфазными асинхронными электрическими двигателями. Только на транспортирование чистых и сточных вод в РФ ежегодно расходуется не менее 120-130 млрд. кВт-часов электроэнергии, стоимость которой оценивается в 215-235 млрд. рублей. От 30 до 40 % электроэнергии теряется из-за сравнительно низкой энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов и их работы с превышением напора. Это является одной из причин повышения стоимости жизнеобеспечения людей и производимой продукции. Тенденцией мирового сообщества является снижение потребления электроэнергии с целью эффективного использования ресурсов и повышения конкурентоспособности продукции. В этой связи существует проблема повышения энергоэффективности транспортирования жидкостей насосными агрегатами и установками.

Одной из причин невысокой энергоэффективности транспортирования жидкостей является использование в электроприводах насосных агрегатов традиционных асинхронных двигателей (ТАД), потребляющих из электросети ток и реактивную мощность индуктивного характера, снижающие коэффициент мощности (coscp), электрический КПД, а следовательно, энергетический КПД, равный их произведению.

Наиболее эффективным методом снижения энергозатрат является компенсация реактивной мощности, осуществляемая различными известными техническими средствами - компенсаторами реактивной мощности (КРМ). В системах электроснабжения 0,4 кВ насосных станций, как правило, отсутствуют КРМ. Поэтому потери электроэнергии от реактивных токов составляют не менее 20-38 % от общих электрических потерь.

Повышению энергоэффективности технических комплексов и систем транспортирования жидкости, в том числе асинхронных электроприводов насосных агрегатов, посвящены научные труды многих отечественных ученых и специалистов: Сыромятников И.А., Ильинский Н.Ф., Онищенко Г.Б., Лез-нов Б.С, Иванов Г.М. и другие.

Цель диссертационной работы - снижение потерь электроэнергии в асинхронных электроприводах и электрических сетях 0,4 кВ путем повышения коэффициента мощности, электрического и энергетического КПД. Для достижения поставленной цели решаются следующие главные задачи:

1. Разработка энергосберегающего асинхронного двигателя (ЭАД) для насосного агрегата и методики электромагнитного расчета, обеспечивающего его создание.

2. Разработка методики расчета электропотребления и оценки энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе применения ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД.

3. Моделирование электропотребления электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе Э АД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД.

4. Экспериментальное исследование электропотребления электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались: теория электрических цепей; теория электрических машин; теория электропривода; методы компьютерного моделирования; математические методы обработки информации; методы цифровой обработки аналоговых сигналов; методы экспертных оценок; методы эквивалентирования электрических нагрузок; экспериментальные методы; специальное программное обеспечение.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Электрическая схема замещения ЭАД с двумя обмотками на статоре; зависимости для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора, отличающиеся от известных учетом токов и числа витков обеих обмоток статора; зависимости для определения емкости компенсирующего конденсатора ЭАД, отличающиеся возможностями ее расчета в функции от соотношений параметров обмоток статора, параметров ветви намагничивающего контура, от частоты тока источника питания, от полезной мощности двигателя и их комбинаций.

2. Методики электромагнитного расчета новых ЭАД с двумя трехфазными обмотками на статоре и пересчета ТАД в ЭАД, отличающиеся от известной методики новым критерием расчета - получения двигателя с максимальным энергетическим КПД и новой последовательностью вычислительных действий, направленных на минимизацию реактивного тока и получение наибольших коэффициентов мощности и полезного действия двигателя путем определения оптимального соотношения МДС ферромагнитного сердечника и компенсационной обмотки статора.

3. Методика расчета электропотребления и показателей энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов, отличающиеся учетом изменяющихся КПД насоса и электродвигателя, электрических параметров ЭАД или ТАД, параметров источников питания и системы электроснабжения насосной станции, возможностью исследования электропотребления насосными агрегатами, как с нерегулируемыми, так и с регулируемыми электроприводами при различных отношениях выходных параметров (1М) ПЧ для различных емкостей компенсирующих конденсаторов ЭАД и использования для оперативного управления энергоэффективностью транспортирования жидкости.

4. Экспериментальные электроприводы и данные, подтверждающие энергосберегающие свойства электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД.

Научная новизна работы:

1. Теоретически обоснованы: электрическая схема замещения ЭАД с двумя обмотками на статоре; получены зависимости для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора, отличающиеся от известных учетом

токов и числа витков обеих обмоток статора; получены зависимости для определения емкости компенсирующего конденсатора ЭАД, отличающиеся от известной возможностью ее расчета в функции от параметров обмоток статора ЭАД, от коэффициентов изменения сопротивления намагничивающего контура, от частоты тока источника питания, от полезной нагрузки двигателя и их комбинаций.

2. Разработаны методики электромагнитного расчета новых ЭАД с двумя трехфазными обмотками на статоре и пересчета ТАД в ЭАД. Они базируются на известном методе электромагнитного расчета ТАД, но отличаются от него новым критерием расчета - получения двигателя с максимальным энергетическим КПД(г|зН= TjHcoscpH—»max) и новой последовательностью вычислительных действий.

3. Разработаны математические модели и методика расчета электропотребления и показателей энергоэффективности насосных агрегатов, отличающиеся от известной методики тем, что кроме напорно-расходных характеристик насоса и трубопровода учитывают изменение КПД насоса от частоты вращения и подачи, электрические параметры ЭАД или ТАД, источников питания (ПЧ), системы электроснабжения насосной станции, текущее время и применимы для исследований и оперативного управления энергоэффективностью транспортирования жидкости.

4. Теоретически и экспериментально доказаны возможность и энергоэффективность применения ЭАД, обладающего coscp=l,0, в нерегулируемых и регулируемых от ПЧ электроприводах насосных агрегатов.

Практическая значимость работы:

1. Полученные электрическая схема замещения, зависимости для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора, емкости компенсирующего конденсатора позволяют получить оптимальные соотношения числа витков, диаметров обмоточных проводов, емкости компенсирующего конденсатора и формировать энергосберегающие рабочие и механические характеристики асинхронного двигателя.

2. Методики электромагнитного расчета новых ЭАД и пересчета ТАД в ЭАД позволяют создавать энергоэффективные асинхронные двигатели для насосных агрегатов и других механизмов как на электромашиностроительных заводах, так и на электроремонтных предприятиях.

3. Разработанные математические модели и методика расчета электропотребления и показателей энергоэффективности насосных агрегатов позволяют исследовать и организовать оперативное управление электропотреблением с учетом реальных параметров насосов, трубопроводов, электроприводов, системы электроснабжения, подачи и напора жидкости, а также способов их регулирования.

4. Созданы экспериментальные электроприводы насосных агрегатов, реализованные на основе ЭАД и ПЧ-ЭАД. Выполненные экспериментальные и теоретические исследования позволили создать энергоэффективный электро-

привод насосного агрегата на основе применения ЭАД и рекомендовать их к внедрению.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедрены: в МП трест «Водоканал» г. Магнитогорска в виде математических моделей и методики определения электропотребления насосными агрегатами для оптимизации их режимов работы; в МП трест «Теплофикация» г. Магнитогорска в виде электроприводов насосных агрегатов тепловых пунктов на основе ЭАД; в ЭРЦ ОАО «ММК-Метиз» и МП трест «Электротранспорт» в виде инженерной методики, зависимостей и компьютерной программы для осуществления модернизации ТАД в ЭАД.

Обоснованность и достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается строгим выполнением математических преобразований; принятием корректных допущений; подтверждением данных моделирования экспериментальными результатами и их воспроизводимостью; применением современных математических моделей и пакетов программ.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 15 международных научно-технических конференциях, симпозиумах, выставках-конгрессах, в том числе: на V, VII Международных симпозиумах «ЭЛМАШ-2004, 2009», Москва; X, XVI международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов, Москва, 2004, 2010; Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2005 г.; Международной выставке-конгрессе. Высокие технологии. Инновации. Инвестиции, Санкт-Петербург, 2006 г.; V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Санкт-Петербург, 2007 г.; XII Международной конференции «Электромеханика, электротехнология, электротехнические материалы и компоненты», Крым, Алушта, 2008 г.; Международной конференции «Электроэнергетика и автоматизация в металлургии и машиностроении», Магнитогорск, 2008 г.; Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективности и энергобезопасность производственных процессов», Тольятти, 2009 г. и других.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных статей, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 179 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 103 наименований, приложений, включает 67 рисунков и 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены направление, цели и задачи исследований, намечены методы их решения, сформулированы научная новизна и практическая значимость, приведены результаты реализации работы, обоснованы достоверность полученных результатов и выводов, представлены положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы и публикациях по теме диссертации, струюуре и ее объеме.

В первой главе выполнен обзор вариантов насосных агрегатов и установок. Показано, что известная методика не учитывает в явной форме изменения КПД насоса и двигателя от частоты вращения и подачи, а также влияния электрических параметров двигателя, источников питания и системы электроснабжения на электропотребление, текущее время и не позволяет использовать ее для оперативного управления энергоэффективностью. Установлено, что во всех известных системах электроприводов насосных агрегатов применяются

На основе обзора научно-технической литературы рассмотрен ТАД как преобразователь электрической энергии в механическую. Показано, что известная электромагнитная схема ТАД обладает активно-индуктивным характером и при существующей конструкции ее КПД и коэффициент мощности не могут быть выше 0,85-0,93, то есть энергосберегающие возможности ТАД исчерпаны. Приведен подробный обзор и анализ известных технических решений по повышению коэффициента мощности асинхронных двигателей (АД). Показано, что из рассмотренных технических решений наиболее перспективным является ЭАД с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

На основе анализа состояния проблемы и системного подхода к ней определено главное направление диссертационного исследования - разработка электропривода насосных агрегатов на основе применения ЭАД. Для исследования выбраны наиболее эффективные электромагнитные схемы ЭАД, приведенные на рис. 1.

Рис. 1. Электромагнитные схемы ЭАД: а) трансформаторная; б) автотрансформаторная, где: РО, КО - рабочая и компенсационная обмотки статора; ОР - обмотка ротора; С - компенсирующие конденсаторы

ЭАД еще не применялись дяя привода насосных агрегатов, полностью отсутствует опыт их работы от преобразователей частоты (ПЧ). В этой связи, в диссертационной работе обоснованы и поставлены задачи, обеспечивающие разработку и создание электропривода насосного агрегата на основе применения ЭАД.

Вторая глава посвящена разработке методики электромагнитного расчета ЭАД с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. Для этого, на основе известных подхода и допущений, разработана Т-образная электриче-

ТАД.

а)

б)

екая схема замещения ЭАД, представленная на рис. 2. Для схемы составлены уравнения по законам Кирхгофа и приведены их решения.

х,

На схеме: Я'з, Х'3, - приведенные к рабочей .обмотке статора активное, индуктивное сопротивления компенсационной обмотки статора; Х'Сз - приведенной емкостное сопротивление компенсирующего конденсатора; остальные обозначения - общепринятые.

ЭАД, как показано выше, содержит две обмотки статора. По обмоткам протекают соответствующие токи, которые греют двигатель. Известная методика электромагнитного расчета ТАД ориентирована на проектирование двигателя с одной обмоткой статора по критерию минимума затрат. Поэтому, известные зависимости для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора не применимы для оценки соответствующих нагрузок ЭАД. В этой связи получены новые зависимости, определяющие линейную токовую и тепловую нагрузки статора ЭАД. Эквивалентные линейная токовая А)э и тепловая V/,, нагрузки статора определяются уравнениями:

где — число пазов статора; Кт(п — число проводников в пазах статора; — соответственно внутренний диаметр статора, мм; Э[ — число параллельных ветвей обмоток статора; ^„а, 11Нр— активная и реактивная составляющие тока рабочей обмотки при номинальной нагрузке двигателя; Г3а, Г3р - активная и реактивная составляющие тока компенсационной обмотки, приведенные к рабочей обмотки статора; I]— плотность токов в обмотках статора, А/мм2.

Для различных электромагнитных схем ЭАД получены варианты зависимостей, определяющие емкость компенсирующего конденсатора. Например, емкость компенсирующего конденсатора для электромагнитной схемы, рис. 1(6), рассчитывается по уравнению:

Рис. 2. Схема замещения ЭАД

(1)

1_( 2г/, 1Э-ЯЭ

2я-/11Э~КЭ 1%<рж

\

б*/,(1+МЧ яэ2+^2Л2^э

2 , лЛгТ-т 1

где: величины Яэ и Ьэ вычисляются через параметры схемы замещения ЭАД без учета параметров КО; кт =1У3/ \\\ - коэффициент трансформации между КО и РО;// - частота тока.

Для определения емкости компенсирующего конденсатора с учетом параметров РО и КО, параметров ветви намагничивающего контура, частоты тока, полезной мощности двигателя получено уравнение сопротивления компенсирующего конденсатора в виде:

в

4-А

±,W±2

■(3-а + 2-у±,

W

(3)

В выражении (3) два ±1 должны иметь одинаковый знак, ±2 — независим. Уравнение (3) имеет физический смысл при положительных знаках +1 и +2. Коэффициенты уравнения (3) зависят от параметров схемы замещения и желаемого соБср ЭАД. Уравнение позволяет определять емкость конденсатора С3 для любых параметров схемы замещения ЭАД и частоты тока.

В ЭАД емкостный ток КО подмагничивает магнитную систему машины, это ведет к уменьшению тока намагничивания. Получено оптимальное соотношение параметров намагничивающей и компенсационной ветвей ЭАД, обеспечивающее максимальный КПД двигателя. Показано, что коэффициент изменения сопротивления ветви намагничивания двигателя к2т может определяться аналитически или графо-аналитически. На рис. 3 приведена зависимость КПД ЭАД средней мощности (10^55 кВт) от к2т. Оптимальные значения коэффициента к2т находятся в диапазоне 2,2-^2,9. На рис. 4, для сравнения, приведены зависимости энергетического КПД ЭАД и ТАД от полезной мощности для к2т=2,9.

94,0

93,5

93,0

92,5

S5 92,0

4 91,5 с

* 91,0 90,5 90,0 89,5 89,0

Зависимость к.п.д. ЭАД от kzn

......

к-п.д. ТАД

Ю-т=2,25

D В

0 2 2,2 2,4 2,6 2.8 3 3,2 3,4 3,6

kzns O.S.

Рис. 3. Зависимость л ЭАД от коэффициента kZm

• Рис. 4. Зависимости ЭАД и ТАД от полезной мощности (т]эи=т]-сов<р)

/ Начал / £

На основе разработанной схемы замещения, выполненных обоснований и полученных зависимостей предложены методики и алгоритмы электромагнитных расчетов новых ЭАД и пересчета ТАД в ЭАД. На рис. 5 приведена укрупненная блок-схема пересчета ТАД в ЭАД. Блок 1. Вводятся номинальные данные реконструируемого ТАД и создаваемого ЭАД; Р1ТАД, мм2 - площадь паза, занимаемые медью обмотки статора; Р,ЭАД, РЗЭад, мм2 - площади паза, занимаемые медью рабочей и компенсационной обмотками; Би.1,3, мм2 - площадь паза, занимаемая изоляцией между рабочей и компенсационной обмотками; к31=\УзЛУ1 - коэффициент трансформации между обмотками статора; кхэ^ХУ^ддЛУ 1эад - отношение чисел витков обмотки статора ТАД и рабочей обмотки ЭАД. Блок 2. Рассчитываются параметры Т-образной схемы замещения ТАД. Блок 3. Рассчитываются обмоточные данные ЭАД. Блок 4. Проверяется условие

Р 1тад- Если условие не удовле-

творяется - необходимо изменить входные параметры: к3! и диаметры обмоточных проводов. Блок 5. Проверяется условие ■^.з-^доп- -Ь.з - плотность тока в рабочей и компенсационных обмотках, - допустимая плотность тока. Если условие не выполняется - изменяются параметры РО и КО. Блок 6. Проверяется условие А|.32АдОП. А1,з - линейная токовая нагрузка статора ЭАД, Адоп - допустимая линейная токовая нагрузка статора. Если условие не выполняется - изменяются параметры РО и КО. Блок 7. Расчет параметров Т - образной схемы замещения ЭАД. Блок 8. Расчет параметров ветви намагничивания ЭАД. Блок 9. Расчет емкости компенсирующего конденсатора для получения двигателя с желаемым соэф*. Блок 10. Проверяется условие Хс>0, 1т(Хс)=0. Если корни уравнения (3) комплексные или не имеют физического смысла -увеличивают желаемый угол сдвига между питающим напряжением и током на величину Дфж. Блок 11. Расчет характеристик ЭАД и ТАД. Блок 12. Вывод

1 Ввод

исходных

1

2

з

^ 0 4

( 0 5 ТI

0 6 Т1 А|.з<Ад„„ Т1

7

Я

Ч

0 Хс>0, «Хс)=0

12

/ Коне» /

Рис. 5. Укрупненная блок-схема пересчета ТАД в ЭАД

результатов. Рабочие и механические характеристики двигателей выводятся в виде таблиц или графиков.

По разработанным методикам выполнены электромагнитные пересчеты асинхронных двигателей типа 4А112М2УЗ, АИР I80S 2, 4А225М4УЗ, используемых в качестве приводов насосных агрегатов. На рис. 6 приведены рабочие (энергетические) и механические характеристики созданного методом реконструкции ТАД типа 4А225М4УЗ, Р2к=55 кВт; U,K=220 В; n„=0,925; coscp„=0,9; 1В=100,1 А в ЭАД 4А225М4УЗ, Р2„=55 кВт; U,H=220 В; п«=0,935; cosq>H=l,0; 1Н=89,1 А, для шламового насосного агрегата ЗАО «Горно-обогатительное предприятие» г. Магнитогорск.

Í

чи и»

_____Ззенсммоаь 3tiepr*iM4ec*Qto КПД от мощности FV.

Естественные механические характеристики асинхронных двигателей асинхронных двигателей

_—ЭАЛ_ -•ТАД

5Л « ГО И

—'- Х^ржтвриетж» Э^Д

— •Хгрмгей*™** ТАД

.___________^ /

И. ТАИ / /

■■ "-Ч / /

i // М.Н"

« «е jo* ме «не яе «4 roe ме м ttoe no» tm uw мм »09 мое

Рис. 6. Рабочие (энергетические) и механические характеристики ЭАД типа 4А225М4УЗ

Преимущества ЭАД видны из характеристик. Увеличение Мкр ЭАД объясняется уменьшением Х,эад. аМ„-некоторым увеличением Г^эад-

Третья глава посвящена исследованию математическим моделированием энергосберегающих свойств электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД.

ч Разработано математическое описание установившихся режимов нагрузок и элекгропотребления нерегулируемых и регулируемых электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД и ТАД, отличающееся от известных тем, что мощность насоса определяется с учетом изменения КПД от частоты вращения рабочего колеса насоса и от величины подачи жидкости; кроме того, мощность насоса эквивалентируется с электрической мощностью активного сопротивления роторной цепи (Я„), пропорционального полезной мощности двигателя; величина активного сопротивления Я„ определяется с учетом мощности насоса, напряжения питания и^ и частоты тока двигателя, а также его электрических сопротивлений короткого замыкания (Хк> 2^), зависящих от частоты. Разработанное математическое описание, кроме изложенного, включает в себя новые зависимости, определяющие величину емкости компенсирующего конденсатора для ЭАД.

Зависимость, связывающая сопротивления роторной цепи (11,„), пропорционального полезной мощности двигателя с гидравлической мощностью насоса И;, напряжением и1п частотой ^ и их отношением определяется уравнением:

2И,

щ

-Л,

-г1

¿•г,

где = = +(2^,(1,+Г1))г - модуль полного сопротивления

короткого замыкания при частоте тока Ьь Ь'2 - индуктивности обмоток статора, ротора при частоте тока

Разработаны методика и алгоритм компьютерного моделирования электропотребления и показателей энергоэффективности установившихся режимов работы электроприводов на основе ТАД и ЭАД, ПЧ-ТАД и ПЧ-ЭАД насосных агрегатов, отличающиеся возможностью исследования электропотребления насосными агрегатами, как при дроссельном, так и при частотном регулировании подачи при различных отношениях выходных параметров (11/0 ПЧ для различных емкостей компенсирующих конденсаторов ЭАД. Методика предусматривает моделирование режимов электропотребления для следующих вариантов изменения емкости компенсирующих конденсаторов, определяемых по уравнению (3) в функции: а) С3=ад(; б) С3=ед=1"1и; ЯШ=К„„0„=Р2„); в) С3=адгсопз1; К„,=Я„.ном=Р2И); г) С3=ед=Г1н; эк, -Р2н), где к3 - коэффициент загрузки двигателя; ^ - частота тока. Исследованиями показано, что для электроприводов насосных агрегатов при диапазоне регулирования частоты вращения (0,65-Н,0)-пн предпочтительными являются емкости компенсирующих конденсаторов, определяемые по функциям а) и г).

Выполнено моделирование электропотребления для заданного реального графика подачи жидкости насосной установки АНУЗ АЦМС90 теплового пункта МП трест «Теплофикация». Получены показатели энергоэффективности насосной установки, подтверждающие преимущества применения ЭАД для нерегулируемых и регулируемых электроприводов насосных агрегатов. На рис. 7 приведены удельные расходы электрической энергии при различных подачах жидкости для вариантов нерегулируемых и регулируемых электроприводов, созданных на основе ТАД и ЭАД, ПЧ-ТАД и ПЧ-ЭАД, Для последних расчеты выполнены для первых гармоник напряжения ПЧ.

УЛ.. кВтчас/мЗ 3.00

2.00 1,60

Ж

1

■ ТАД ,пэдд

кВтчае/мЗ 0,30 т

ДЮД]

ЙжЕжее!

б)

тед

о ЭАД

1 1 ] I 1 1 9 « II 1! II II

Номер подачи

Рис. 7. Зависимости удельных расходов энергии от подачи

Ж

1 2 3 4 5 б 7 в 9 10 11 12 13 14 Номер подачи

Моделирование показало, что снижение удельного расхода электрической энергии электроприводами для насосной установки типа АНУЗ АЦМС 90 позволяет экономить в год электроэнергии:

- для нерегулируемого электропривода на основе ЭАД по сравнению с

ТАД

Э=д-Т-№(тЛгуТАД- ^/уЭдд )=1310-365-3-(0,46-0,416)=63116 кВтч;

- для регулируемого электропривода на основе ПЧ-ЭАД по сравнению с ПЧ-ТАД

Э=д-Т-№С№упч-ТАД- \УуПЧ.ЭАД )=1310-365-3-(0,165-0,149)=22950 кВтч,

где 0 - суточная подача воды, м3; Т - число дней в году; N - число насосных агрегатов; ~ средние удельные расходы энергии за сутки.

Каждый киловатт установленной мощности ЭАД (Р2„=22 кВт), работающего от электросети, позволяет в год экономить электрической энергии:

- для нерегулируемого электропривода на основе ЭАД

ДЭ=Э/Руст=Э/Р2н^=63116/22-3=956,3 кВтч;

- для регулируемого электропривода на основе ПЧ-ЭАД

ДЭ=Э/Руст=Э/Р2н/Ы=22950/22-3=347,7кВтч.

Анализ результатов математического моделирования, полученных с помощью разработанной методики определения электропотребления и показателей энрегоэффективности электроприводов насосных агрегатов при принятых допущениях и графике подачи жидкости, 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 нере1улируемыми 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%;

В четвертой главе на разработанных и созданных экспериментальных электроприводах на основе ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД насосного агрегата, гидравлическая и электрическая схемы которых представлены на рис. 8, исследованы электропотребление и показатели энергоэффективности транспортирования жидкости.

Экспериментальная часть исследований содержала два этапа: 1) исследования нерегулируемых электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД и ТАД; 2) исследования регулируемых электроприводов насосных агрегатов на основе ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД.

а) б)

Рис. 8. Гидравлическая (а) и электрическая (б) схемы экспериментальных электроприводов насосных агрегатов

Первый этап исследований выполняли при питании электроприводов одинаковых насосов HI, Н2 от промышленной электросети UlH=220/380 В, fi„=50 Гц. Схема соединения рабочей и компенсационной обмоток статора ЭАД - автотрансформаторая (рис. 16). Схема соединения обмотки статора ТАД - «звезда». Регулирование подачи насосов осуществляется задвижками, то есть, насосные агрегаты работали с превышением напора. Режим работы электроприводов установившийся, длительный tp>l,5 часа.

Второй этап исследований выполняли при питании электроприводов от преобразователей частоты - ПЧ1, ПЧ2 (VFD015S43A фирма Delta Electronics). Схемы соединения обмоток статоров ЭАД и ТАД аналогичные схемам первого этапа. Регулирование подачи насосов осуществляется изменением частоты вращения их рабочих колес, то есть насосные агрегаты работали без превышения напора. Режим работы электроприводов установившийся, длительный tp>l,5 часа.

Регистрацию электрических сигналов электроприводов осуществляли по схеме, представленной на рис. 9, где: НА1, НА2 - насосные агрегаты; ЭАД, ТАД - энергосберегающий и традиционный асинхронные двигатели типа АИР 71В2 УЗ; ДЧВ1, ДЧВ2 - датчики частоты вращения типа ТГ-1; ЭСч1, ЭСч2 -универсальные Зх-фазные электронные счетчики электрической энергии типа «Меркурий 230 ART2-02»; БШДН - блок шунтов и делителей напряжения; Ruii~Riu3 - шунты в линии рабочей обмотки, Rm4-Rm6 - шунты в линии компенсационной обмотки ЭАД типа 75 ШС ЗА (1,5А); С3 - компенсирующие конденсаторы типа К73-46 (а), 0,5-1,5 мкФ на фазу, U„=750 В; БПР - блок потенциальной развязки типа РСЗ фирмы Prosoft-E; АЦП - аналого-цифровой преобразователь типа Е 14-440 фирмы L-CARD; ОЦ - осциллограф цифровой

Uta=220/380 В f,„=50ru

ЕДШН

типа FLUK199C; ПК - персональный компьютер с установленным программным обеспечением Fluke-View ScopeMeter v. 4.1.

Фрагменты осциллограмм токов и напряжений электроприводов ТАД и ЭАД, ПЧ-ТАД и ПЧ-ЭАД приведены на рис. 10, 11, 12. Из анализа осциллограмм, рис. 10, 11, следует: ударный ток ЭАД (4,2 А) меньше тока ТАД (5,9 А) на 28,8%; установившийся ток ЭАД (0,71 А) меньше тока ТАД (0,84 А) на 15,5 %; costp ЭАД (1,0) больше cos<p ТАД (0,88) на 12%. Из анализа рис. 12 видно, что пуск системы ПЧ-ЭАД происходит с меньшими токами, чем пуск ПЧ-ТАД. Следует отметить, что в системе ПЧ-ЭАД наблюдается увеличение тока компенсационной обмотки (1КО=0,55 А) и перекомпенсация реактивной мощности при работе с

емкостью компенсирующего конденсатора, рассчитанного для номинальных напряжения и частоты тока (1КО=0,25 А). Это объясняется снижением сопротивления компенсирующего конденсатора из-за влияния высших гармоник тока ПЧ. Поэтому одним из главных требований, предъявляемых к электроприводам насосных агрегатов, создаваемых на основе ПЧ-ЭАД, является уменьшение на 60-80% емкости компенсирующего конденсатора. Компенсирующий конденсатор должен выбираться для работы в диапазоне частот высших гармоник ПЧ.

Экспериментальные исследования показали энергосберегающие свойства электроприводов на основе ЭАД: удельный расход электроэнергии в нерегулируемых электроприводах с ЭАД (0,39 кВтч/м3) меньше, чем с ТАД (0,43 кВтч/м3) на 9,3%, что сопоставимо с результатами моделирования; удельный расход электроэнергии в регулируемых электроприводах ПЧ-ЭАД (0,175) меньше, чем в ПЧ-ТАД (0,198) на 11,6%, но на 18-20% больше результатов моделирования из-за неучега высших гармоник тока.

Экспериментальные исследования подтверждают теоретические обоснования и расчеты энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД.

Рис. 9. Информационно-измерительная схема электроприводов

Рис. 10. Токи нерегулируемых электроприводов при пуске

Рис. 11. Установившиеся токи и напряжения нерегулируемых электроприводов

Й В ................................ 1 < А | м :ТАД :

л4мЦ 7.2 А ¡39 . ЭАД '

Рис. 12. Токи электроприводов по системе ПЧ-АД при пуске

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Теоретически обоснованы: электрическая схема замещения ЭАД; полученные зависимости для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора, для определения емкости компенсирующего конденсатора и разработанные методики электромагнитного расчета ЭАД и пересчета ТАД в ЭАД позволяют создать энергосберегающие асинхронные двигатели.

2. Разработанные математические модели, методика расчета электропотребления и показателей энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов обеспечивают возможность математического моделирования и рекомендуется для исследований, оперативного учета и управления энергоэффективностью транспортирования жидкости.

3. Разработаны, созданы и исследованы экспериментальные электроприводы насосных агрегатов на основе ЭАД, ПЧ-ЭАД с номинальными данными: Р2„=1,1 кВт, п„=2945 об/мин, U„=380/220 В, IH=2,0 A, costp=I,0, ту=92%; двигатель изготовлен путем реконструкции статора АД типа АИР 71В2 УЗ с номинальными данными Р2„=1,1 кВт, пн=2930 об/мин, UH=380/220 В, 1н=2,4 А, cos<p=0,84, т|„=88,5%. Создан электродвигатель насосного агрегата для теплового пункта треста «Теплофикация» на основе ЭАД АИР 180S2 УЗ с номинальными данными: Р2„=22,0 кВт, пн=2920 об/мин, U„=380/220 В, 1Н=36,2 А, coscp=l,0, т\н=92%, С3=22 мкФ на фазу.

4 Исследования энергоэффективности экспериментальных электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД, ПЧ-ЭАД показали: при прямом пуске нерегулируемых электроприводов насосных агрегатов пусковой ток ЭАД меньше пускового тока ТАД в 1,28-1,5 раза; установившийся ток электропривода на основе ЭАД меньше тока электропривода на основе ТАД на 15,5%; коэффициенты мощности электроприводов ЭАД на 12 % выше, чем у ТАД; полная потребляемая мощности ЭАД на 13-17% меньше мощности ТАД.

5 Результаты диссертационной работы внедрены: в МП трест «Водоканал», в МП трест «Теплофикация» г. Магнитогорска; в ЭРЦ ОАО «ММК-Метиз». Получена экономия электрической энергии 18 тыс. кВт-час в год для одного электропривода насосного агрегата. Зарегистрированы две компьютерные программы, реализующие методики электромагнитного расчета ЭАД. Срок окупаемости дополнительных затрат на создание ЭАД 0,6-0,8 года.

Публикации автора по теме диссертации

Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК:

1. Мугалимова А.Р. Экспериментальные исследования электроприводов волочильного стана на основе энергосберегающих асинхронных двигателей/ Гу-байдуллин А.Р.// Изв. вузов. Электромеханика. 2009, №1. С. 43-47.

2. Мугалимова А.Р. Опыт создания энергосберегающих электроприводов волочильных станов/ Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р., Кретов C.B.// Промышленная энергетика. 2009, №7. С. 11-15.

3. Мугалимова А.Р. Электроприводы на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для волочильных станов/ Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р. // Электротехника, 2009. №10, С. 22-28. Публикации в других изданиях:

4 Мугалимова А.Р. Мугалимов Р.Г. Математическая модель и структурная схема асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // Десятая Между-нар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. М.: МЭИ, 2004. Т. 2. - С. 24

5 Мугалимова А.Р., Мугалимова М.Р. Мугалимов Р.Г. Электрическая схема замещения энергосберегающего асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. // Молодежь. Наука. Будущее. Вып. 2: Сб. науч. тр. тудентов / Под ред. Л.В. Радионовой. -Магнитогорск: МГТУ, 2004.-С. 239-245

6 Мугалимова А.Р., Мугалимов Р.Г. К проектированию энергосберегающего асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. // Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые энергомеханические системы: труды III Международной научно-технической конференции. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. С. 77-80

7 Мугалимова А.Р., Мугалимов Р.Г., Косматов В.И. Метод и алгоритм проектирования компенсированного энергосберегающего асинхронного двигателя. // Сборник материалов V Международной (XVI Всероссийской) научной конференции: 18-21 сентября 2007 г. - Санкт-Петербург, 2007. -С. 281-284.

8 Мугалимова А.Р., Косматов В.И. Энергосберегающие электроприводы для жилищно-коммунального хозяйства. // Конкурс грантов студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Челябинской области: сборник рефератов НИР студентов. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. - С. 215.

9 Мугалимова А.Р., Косматов В.И., Мугалимов Р.Г. Автоматизированные электроприводы на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для систем холодного и горячего водоснабжения городов. // Электромеханика. Электротехнологии. Электротехнические материалы и компоненты: XII-я Международная конференция. Труды МКЭЭЭ -2008. -Крым, Алушта, 2008 г. - С. 209

10 Мугалимова А.Р., Мугалимов Р.Г. К определению оптимальной емкости компенсирующего конденсатора для энергосберегающего асинхронного электропривода. // Материалы 66-й научно-технической конференции: Сб. докл. -Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. - Т. 2. - С. 50-53

11 Мугалимова А.Р., Волкова Е.О., Мугалимов Р.Г. Системы холодного и горячего водоснабжения, отопления, водоотведения и водоочистки городов на основе применения энергосберегающих асинхронных электроприводов насосных агрегатов. // Отчет по НИР/МГТУ Г.Р. № 01200802543. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. - 71 С.

12 Мугалимова А.Р., Мугалимов Р.Г. Системы холодного и горячего водоснабжения, отопления, водоотведения и водоочистки городов на основе при-

менения энергосберегающих асинхронных электроприводов насосных агрегатов. И Челябинская область. Инновационный потенциал. Каталог 2008. -Челябинск: Правительство Челябинской области, 2008. -С. 104-105

13 Мугапимова А.Р., Косматов В.И., Мугалимов Р.Г. К определению параметров схемы замещения компенсированного асинхронного двигателя при его создании путем реконструкции из традиционного двигателя. // Электротехнические системы и комплексы. Межвуз. сб. науч. трудов. Выпуск №15. Под ред. Радионова A.A. - Магнитогорск: МГТУ, 2009. - С. 67-76

14 Мугалимова А.Р. Энергосберегающий электропривод на основе компенсированных асинхронных двигателей для насосных агрегатов систем холодного и горячего водоснабжения городов. И Инновации молодых ученых: Сборник докладов Участников Молодежного Научно-Инновационного Конкурса на 67-й науч.-техн. конференции. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. - С. 110116

15 Мугалимова А.Р., Волкова Е.О., Мугалимов Р.Г. Компьютерная программа для оценки целесообразности реконструкции традиционных асинхронных двигателей на двигатели с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для приводов насосных агрегатов систем водоснабжения. // Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов: сборник трудов Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов. 2009 г. - Тольятти: ТГУ, 2009. -С. 23-25

16 Мугалимова А.Р. Энергосберегающий электропривод на основе компенсированных асинхронных двигателей для насосных агрегатов систем холодного и горячего водоснабжения городов. // 7-ая международная науч.-техн. конференция «ЭЛМАШ-2009» 22-24 сентября 2009 г. - Москва, 2009.

17 Мугалимова А.Р., Волкова Е.О., Мугалимов Р.Г. Исследования энергоэффективности электроприводов на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для приводов насосных агрегатов систем водоснабжения с помощью специализированной компьютерной программы ASYNCHRONN. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Шестнадцатая Межцунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В Зт. Т.2. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - С. 11-13

Подписано в печать 07.05.2010. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 354.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО «МГТУ»

Введение.

1 Объект исследования. Научно-техническая проблема. Задачи исследования

1.1 Насосы. Насосные агрегаты и установки.

1.2 Электроприводы насосных агрегатов.

1.3 Традиционный асинхронный двигатель как преобразователь электрической энергии в механическую.

1.4 Обзор технических решений по повышению коэффициента мощности асинхронных двигателей.

1.5 Научно-техническая проблема. Актуальность проблемы. Постановка задачи исследования.

2 Разработка методики электромагнитного расчета энергосберегающего асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

2.1 Разработка электрической схемы замещения асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

2.2 Разработка математической модели линейной токовой и тепловой нагрузок асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

2.3 Определение емкости компенсирующего конденсатора асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

2.4 Обоснование соотношения параметров намагничивающей и компенсирующей ветвей схемы замещения асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

2.5 Методика и алгоритм электромагнитного расчета асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

2.6 Реконструкция традиционных асинхронных двигателей на энергосберегающие для электроприводов насосных агрегатов.

Актуальность темы. Одним из главных ресурсов, используемых человеком для жизнеобеспечения и производственной деятельности, является вода и другие жидкости. Для их транспортирования по трубопроводам применяются насосные агрегаты и установки, приводимые в движение трехфазными асинхронными электрическими двигателями. Только на транспортирование чистых и сточных вод в РФ ежегодно расходуется не менее 120-130 млрд. кВт-часов электроэнергии, стоимость которой оценивается в 215-235 млрд. рублей. От 30-40 % электроэнергии теряется из-за сравнительно низкой энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов и их работы с превышением напора. Это является одной из причин повышения стоимости жизнеобеспечения людей и производимой продукции. Тенденцией мирового сообщества является снижение потребления электроэнергии с целью эффективного использования ресурсов и повышения конкурентоспособности продукции. В этой связи существует проблема повышения энергоэффективности транспортирования жидкостей насосными агрегатами.

Одной из причин невысокой энергоэффективности транспортирования жидкости является использование в электроприводах насосных агрегатов традиционных асинхронных двигателей (ТАД), потребляющих из электросети ток и реактивную мощность индуктивного характера, снижающие коэффициент мощности (coscp), электрический КПД, и, следовательно, энергетический КПД, равный их произведению.

Наиболее эффективным методом снижения энергозатрат является компенсация реактивной мощности, осуществляемая различными известными техническими средствами - компенсаторами реактивной мощности (КРМ). В системах электроснабжения 0,4 кВ насосных станций, как правило, отсутствуют КРМ. Поэтому потери электроэнергии от реактивных токов составляют не менее 20-38 % от общих электрических потерь.

Повышению энергоэффективности технических комплексов и систем транспортирования жидкости, в том числе асинхронных электроприводов насосных агрегатов, посвящены научные труды многих отечественных ученых и специалистов: Ильинский Н.Ф., Онищенко Г.Б., Лезнов Б.С., Гинзбург Я.Н. и другие.

Цель диссертационной работы - снижение потерь электроэнергии в асинхронных электроприводах и электрических сетях 0,4 кВ путем повышения коэффициента мощности, электрического и энергетического КПД. Для достижения поставленной цели решаются следующие главные задачи:

1. Разработка энергосберегающего асинхронного двигателя (ЭАД) для насосного агрегата и методики электромагнитного расчета, обеспечивающего его создание.

2. Разработка методики расчета электропотребления и оценки энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе применения ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД.

3. Моделирование электропотребления электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД.

4. Экспериментальное исследование электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались:, теория электрических цепей; теория электрических машин; теория электропривода; методы компьютерного моделирования; математические методы обработки информации; методы цифровой обработки аналоговых сигналов; методы экспертных оценок; методы эквивалентирования электрических нагрузок; экспериментальные методы; специальное программное обеспечение.

Научная новизна работы:

1. Теоретически обоснованы: электрическая схема замещения ЭАД с двумя обмотками на статоре; получены зависимости для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора, отличающиеся от известных учетом токов и числа витков обеих обмоток статора; получены зависимости для определения емкости компенсирующего конденсатора ЭАД, отличающиеся от известной возможностью ее расчета в функции от параметров обмоток статора ЭАД, от коэффициентов изменения сопротивления намагничивающего контура, от частоты тока источника питания, от полезной нагрузки, приложенной к валу двигателя и их комбинаций.

2. Разработаны методики электромагнитного расчета новых ЭАД с двумя трехфазными обмотками на статоре и пересчета ТАД в ЭАД. Они базируются на известном методе электромагнитного расчета ТАД, но отличаются от него новым критерием расчета - получения двигателя с максимальным энергетическим КПД (r|3n= r|Hcos(pH—ялах).

3. Разработаны математические модели и методика определения электропотребления и показателей энергоэффективности насосных агрегатов, отличающиеся от известной методики тем, что кроме напорно-расходных и других характеристик насоса и трубопровода, учитывают электрические параметры ЭАД или ТАД, источников питания (ПЧ) и системы электроснабжения насосной станции и применима для оперативного управления энергоэффективностью транспортирования жидкости.

4. Теоретически и экспериментально доказаны возможность и энергоэффективность применения ЭАД, обладающего cos(p=l,0, в нерегулируемых и регулируемых от ПЧ электроприводах насосных агрегатов.

Практическая значимость работы:

1) Разработанные методики электромагнитного расчета новых ЭАД и пересчета ТАД в ЭАД дают возможность определять оптимальные соотношения числа витков, диаметров обмоточных проводов, емкости компенсирующего конденсатора, что позволяет создавать энергоэффективные асинхронные двигатели, обладающими энергосберегающими рабочими и механическими характеристиками, для насосных агрегатов и других механизмов как на электромашиностроительных заводах, так и на электроремонтных предприятиях.

2) Разработанные математические модели и методика расчета электропотребления и показателей энергоэффективности насосных агрегатов позволяют исследовать и организовать оперативное управление электропотреблением с учетом реальных параметров насосов, трубопроводов, электроприводов, системы электроснабжения, подачи и напора жидкости, а также способов их регулирования.

3) Созданные экспериментальные электроприводы насосных агрегатов, реализованные на основе ЭАД и ПЧ-ЭАД обладают меньшими пусковыми токами в 1,281,5 раза, работают с coscp=l,0, или с генерацией реактивной мощности емкостного характера, благодаря чему позволяют уменьшить удельный расход электрической энергии на транспортирование жидкости на 9-12%, полную потребляемую мощность на 13-17%. Каждый киловатт установленной мощности электроприводов на основе ЭАД экономит в год 300-750 кВтчас электроэнергии.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедрены: в ООО «Магнитогорские услуги» в виде инженерной методики, зависимостей и компьютерной программы для осуществления модернизации ТАД в ЭАД; в МП трест «Водоканал» г. Магнитогорска в виде математических моделей и методики определения электропотребления насосными агрегатами для оптимизации их режимов работы; в МП трест «Теплофикация» г. Магнитогорска в виде электроприводов на основе ЭАД насосных агрегатов тепловых пунктов.

Обоснованность и достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается строгим выполнением математических преобразований; принятием корректных допущений; подтверждением данных моделирования экспериментальными результатами; применением современных математических моделей и пакетов программ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Электрическая схема замещения ЭАД с двумя обмотками на статоре; зависимости для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора, отличающиеся от известных учетом токов и числа витков обеих обмоток статора; зависимости для определения емкости компенсирующего конденсатора ЭАД, отличающиеся возможностями ее расчета в функции от соотношений параметров обмоток статора, параметров ветви намагничивающего контура, от частоты тока источника питания, от полезной мощности двигателя и их комбинаций.

2. Методики электромагнитного расчета новых ЭАД с двумя трехфазными обмотками на статоре и перерасчета ТАД в ЭАД, отличающиеся от известной методики новыми критерием расчета - получения двигателя с максимальным энергетическим КПД и последовательностью вычислительных действий, направленных на минимизацию реактивного тока и получение наибольших коэффициентов мощности и полезного действия двигателя путем определения оптимального соотношения МДС ферромагнитного сердечника и компенсационной обмотки статора.

3. Методика определения электропотребления и показателей энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов, отличающиеся учетом изменяющихся КПД насоса и электродвигателя, электрических параметров ЭАД и ТАД, параметров источников питания и системы электроснабжения насосной станции, возможностью исследования электропотребления насосными агрегатами, как при дроссельном ре

КПД насоса и электродвигателя, электрических параметров ЭАД и ТАД, параметров источников питания и системы электроснабжения насосной станции, возможностью исследования электропотребления насосными агрегатами, как при дроссельном регулировании, так и при различных отношениях выходных параметров (U/f) частотного регулирования для различных емкостей компенсирующих конденсаторов ЭАД и использования для оперативного управления энергоэффективностью.

4. Экспериментальные данные, подтверждающие энергосберегающие свойства электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 15 международных научно-технических конференциях, симпозиумах, выставках-конгрессах, в том числе: на V, VII Международных симпозиумах «ЭЛМАШ-2004, 2009», Москва; X, XVI международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов, Москва, 2004, 2010; Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2005 г.; Международной выставке-конгрессе. Высокие технологии. Инновации. Инвестиции, Санкт-Петербург, 2006 г.; V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Санкт-Петербург, 2007 г.; XII Международной конференции «Электромеханика, электротехнология, электротехнические материалы и компоненты», Крым, Алушта, 2008 г.; Международной конференции «Электроэнергетика и автоматизация в металлургии и машиностроении», Магнитогорск, 2008 г.; Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективности и энергобезопасность производственных процессов», Тольятти, 2009 г. и других.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных статей, докладов и тезисов, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 190 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 103 наименований, приложений, включает 69 рисунков и 10 таблиц.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. Проанализированы варианты электроприводов насосных агрегатов, способы и технические решения, направленные на повышение энергоэффективности транспортирования жидкости. Показано, что в основе всех известных электроприводов насосных агрегатов применяются традиционные асинхронные двигатели (ТАД), обладающие сравнительно невысокими энергетическими показателями (т|„=0,75-Ю,91, costpH =0,7+0,9, Т|эн=0,52+0,82). Известны энергосберегающие асинхронные двигатели (ЭАД) с повышенными энергетическими характеристиками (т|н=0,75-Ю,91, costpH =1,0, г|Э11=0,75+0,91). Однако опыт их изготовления и применения для насосных агрегатов отсутствует.

2. Теоретически обоснованы электрическая схема замещения ЭАД; получены зависимости для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора, для определения емкости компенсирующего конденсатора и разработаны методики электромагнитного расчета ЭАД и перерасчета ТАД в ЭАД, позволяющие создать энергосберегающие асинхронные двигатели.

3. Разработаны математические модели и методика определения электропотребления и показателей энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов, обеспечивающие возможность математического моделирования, оперативного учета и управления энергоэффективностью транспортирования жидкости.

4 Исследованы методом математического моделирования электропотребление, энергоэффективность электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД, ПЧ-ЭАД. Показано: электроприводы насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД, энергоэффективнее электроприводов насосных агрегатов на основе ТАД на 9,59,7%; 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%; 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%; снижение потребляемых токов электроприводами на основе ЭАД позволяет разгрузить силовые трансформаторы насосных станций по току и реактивной мощности; каждый киловатт установленной мощности

ЭАД позволяет экономить электрической энергии: при дроссельном регулировании 956,3 кВтч; при частотном регулировании - 347,7 кВтч.

5 Разработаны, созданы и исследованы экспериментальные электроприводы насосных агрегатов на основе ЭАД, ПЧ-ЭАД с номинальными данными: Р2н=1,1 кВт, пн=2945 об/мин, U„=380/220 В, IH=2,0 A, coscp=l,0, г|„=92%; двигатель изготовлен путем реконструкции статора АД типа АИР 71В2 УЗ с номинальными данными Р2„=1,1 кВт, п„=2930 об/мин, U„=380/220 В, I„=2,4 A, coscp=0,84, г|н=88,5%.

6 Исследованы энергоэффективность экспериментальных электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД, которые показали: при прямом пуске нерегулируемых электроприводов насосных агрегатов пусковой ток ЭАД меньше пускового тока ТАД в 1,2-1,5 раза; установившийся ток электропривода на основе ЭАД меньше тока электропривода на основе ТАД на 30-50%; коэффициенты мощности электроприводов ЭАД cos(p3Afl=0,88, ТАД cos(pTAfl=l>0; полная потребляемая мощности ЭАД на 20-25% меньше полной потребляемой мощности ТАД.

7 Исследованы энергоэффективность экспериментальных электроприводов насосных агрегатов на основе ПЧ-ЭАД, которые показали: при пуске регулируемых электроприводов насосных агрегатов пусковой ток ПЧ-ЭАД меньше пускового тока ПЧ-ТАД в 1,2-1,25 раза; установившийся ток электропривода на основе ПЧ-ЭАД меньше тока электропривода на основе ПЧ-ТАД на 25%; коэффициенты мощности электроприводов ЭАД coscp3Afl=lA ТАД со8фтлд=0,88; полная потребляемая мощности ЭАД на 20-25% меньше полной потребляемой мощности ТАД

7 Создан нерегулируемый электропривод насосного агрегата для теплового пункта треста «Теплофикация» г. Магнитогорска на основе ЭАД с номинальными данными: Р2„=22,0 кВт, пн=2920 об/мин, U„=380/220 В, IH=36,2 A, cosq>=l,0, г|н=92%; двигатель создан методом реконструкции асинхронного двигателя АИР 180S2 УЗ с номинальными данными: Р2„=22,0 кВт, пн=2900 об/мин, UH=380/220 В, 1н=41,6 А, coscp=0,91, г|н=88%.

8 Результаты диссертационной работы внедрены: в ЭРЦ ОАО «ММК-Метиз»; в МП трест «Водоканал», в МП трест «Теплофикация» г. Магнитогорска. Полученная экономия электрической энергии 20 тыс. кВт-час для одного электропривода насосного агрегата. Зарегистрированы две компьютерные программы, реализующие методики электромагнитного расчета ЭАД.

1. Крупные центробежные и осевые насосы / И.И. Киселев, A.JI. Герман, JI.M. Лебедев и др. М.: Машиностроение, 1977.

2. Онищенко Г.Б. Регулируемый электропривод главных циркуляционных насосов III блока Белоярской АЭС // Электрические станции. 1982. №6.

3. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы // М.: ГНТИ машиностроительной литературы, 1960.

4. Хоружий П.Д. Расчет гидравлического взаимодействия водопроводных сооружений. Львов: Вища школа, 1984.

5. Трухин Ю.А., Луптаков В.И. Снижение энергозатрат при эксплуатации центробежных компрессорных машин // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. №7.

6. Регулируемые канализационные системы / С.В. Яковлев, В.А. Загорский, А.Н. Пахомов, В.И. Милачев // Водоснабжение и санитарная техника. 1998. №9.

7. Лезнов Б.С. Экономия электроэнергии в насосных установках. М.: Энергоатомиз-дат, 1991.

8. Центробежные насосы двустороннего входа: Каталог. М.: ЦИНТИхимнеф темаш, 1982.

9. Белозоров Н.П., Луговской М.В. Расчет систем водоснабжения с применением вычислительной техники. М.: Колос, 1973.

10. Онищенко Г.В., Юньков М.Г. Электропривод турбомеханизмов. М., «Энергия», 1972.

11. Агрегаты тиристорные диодные серии ТДП-2 и станции управления пуском типа ШДУ для электроприводов по схеме асиихронно-вентильного каскада. М.: Инфор-мэлектро, 1982.

12. Дмитриенко Ю.А. Регулируемый электропривод насосных агрегатов. Кишинев: Штиинца, 1985.

13. Контаутас Р.К. Электропривод для насосных станций // Жилищное и коммунальное хозяйство. 1985. № 8.

14. Гинзбург Я.Н., Лезнов Б.С., Чебанов В.Б. Внедрение автоматизированных систем регулируемого электропривода в насосные установки // Автоматизация и управление системами водоснабжения и водоотведения. М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1986.

15. Лезнов Б.С. Вывод уравнений для приближенного определения экономии электроэнергии в регулируемом приводе центробежного насоса // Сб. технической информации ЦВП №3 (75). М.: ЦВП МО СССР, 1969.

16. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. М.: Энергоатомиздат, 2006.

17. Карелии В.Я., Минаев AM. Насосы и насосные станции. М.: Стройиздат, 1986.

18. Ильин В.Г. Расчет совместной работы насосов, водопроводных сетей и резервуаров. Киев: Госстройиздат УССР, 1963.

19. Лезнов Б.С. Методические рекомендации по приближенному расчету эффективности применения регулируемого электропривода в насосных установках систем водоснабжения. М.: ВИЭСХ, 1980.

20. Товстолес Фл.П. Гидравлика и насосы // М.: ОНТИ, 1938. Ч. III.

21. Динамические насосы для сточных жидкостей: Каталог. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1986.

22. Зоркин Е.М. Технические требования к насосным станциям водоподачи закрытых оросительных систем // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. №7.

23. Свинцов А.П., Скотников Ю.А. Пути устранения потерь воды в жилых зданиях // Водоснабжение и санитарная техника. 1988. №1.

24. Электрические нагрузки промышленных предприятий / С.Д, Волобринский, Г.М. Каялов, П.Н. Клейн и др. Л.: Энергия, 1971.

25. Глезер А.Л. Определение величины электроэнергии, расходуемой насосом, подающим воду в сеть // Водоснабжение и санитарная техника. 1978. №4.

26. Поляков Г.П. Расчет экономии электроэнергии в насосных установках при введении частотно-регулируемого электропривода. // Водоснабжение и санитарная техника. 2001. №1.

27. Брускин Д.Э., Зохорович А.Е., Хвостов B.C. Электрические машины. Ч. 1, 2. М.: Высшая школа. 1987.

28. Лезнов Б.С. Регулирование насосных агрегатов с помощью электромагнитной муфты // Водоснабжение и санитарная техника. 1962. №1.

29. Лезнов Б.С. Электромагнитные муфты в регулируемом приводе механизмов с вентиляторным моментом // Сб. технической информации ЦВП №1 (22). М.: ЦВП МО СССР, 1964.

30. Лезнов Б.С. Электромагнитные муфты скольжения в приводе центробежных насосов // Материалы совещания молодых специалистов, ноябрь 1965 г. М.: ВНИИ ВОДГЕО. 1965.

31. Туркин А.Н. Гидромуфты питательных насосов тепловых электростанций. М.: Энергия, 1974.

32. Лезнов Б.С. Результаты исследования индукторных муфт скольжения в системе регулирования центробежных насосов // Сб. кратких докладов и сообщений на совещании 22—25 февраля 1965 г. М.: СоюзводоканалНИИпроект. 1965.

33. Лезнов Б.С. Опыт регулирования центробежного насоса электромагнитной муфтой // Водоснабжение и санитарная техника. 1965. №5.

34. Онищенко Г.Б., Локтева И.Л. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. М.: Энергия, 1979.

35. Сарваров А.С. Энергосберегающий электропривод на основе НПЧ-АД с программным формированием напряжения: Монография. Магнитогорск: МГТУ, 2001.

36. Титов В.Г., Хватов С.В. Асинхронный вентильный каскад с повышенными энергетическими показателями. — Горький: Горьковский государственный университет, 1978.

37. Рекомендации по применению регулируемого электропривода в системах автоматического управления водопроводных и канализационных насосных установок. М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1987.

38. Ковчин С.А., Сабинин Б.А. Теория электропривода: Учебник для вузов. СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 1994.

39. Гинзбург Я.Н., Чебанов В.Б. Система оптимального управления насосными станциями подкачки // Автоматизация и управление процессами очистки и транспорта воды. М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1988.

40. Совершенствование систем подачи и распределения воды / B.C. Гордиенко, ЛИ. Кантор, Ю.В. Новожилов и др. // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. № 4. 4.2.

41. Гордин И.В. Резервы экономии электроэнергии в системах оборотного водоснабжения // Промышленная энергетика. 1983. №4.

42. Гордин И.В. Технологические системы водообработки. Л.: Химия, 1987.

43. Гудков И.И., Емельянов Н.И., Палий Е.П. Система автоматического управления режимом работы КНС // Водоснабжение и санитарная техника. 2001. №9.

44. Загорский А.Е. Электродвигатели переменной частоты. М.: Энергия, 1975.

45. Информационные материалы фирмы «Atlas Сорсо», Газовые центробежные компрессоры серии GT и Т. Бельгия, 1999.

46. Информация ЗАО «НТЦ Электропривод». Устройство типа УПВД для плавного безударного пуска высоковольтных электродвигателей переменного тока. Чебоксары, 2000.

47. Каталог продукции 2005 г. ЗАО «Электротекс». Орел.

48. Контаутас P.M. Исследование и разработка методов регулирования систем городского водоснабжения: Автореф. дис. канд. техн. наук. М.: 1982.

49. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергия, 1979.

50. Шкердин Д.Г. Преобразователи частоты в энергосберегающем приводе насосов // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. №7.

51. Шихов А.А., Андрианов В.А. Применение частотно регулируемого привода в энергосберегающих системах управления насосными установками // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. №7.

52. Чупрасов В.В. Опыт применения преобразователей частоты серии VLT 3500 HV-АС в электроприводах вентиляторов теплоснабжающей станции // Информационный бюллетень «Энергосбережение». 1996. №6.

53. Информационный лист ЛМ Электро-ВЭИ. ВПЧА-Высоковольтный преобразователь частоты асинхронного электропривода.

54. Частотный преобразователь на IGBT-транзисторах в системе автоматизированного управления насосной установкой / Б.С. Лезнов, В.Б. Чебанов, Н.Т. Агеева и др. // Водоснабжение и санитарная техника. 1998. №3.

55. Шиндес Ю.Л., Ерухимович В.А., Никитин О.Ф. Электроприводы с непосредственными преобразователями частоты // Автоматизированный электропривод / Под общ. ред. Н.Ф. Ильинского, М.Г. Юнькова. — М.: Энергоатомиздат, 1986.

56. Бизиков В.А., Обухов С.Г., Чаплыгин Е.Е. Управление непосредственными преобразователями частоты. -М.: Энергоатомиздат, 1985.

57. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. Ч. 2. М.: Энергия, 1974.

58. Регулируемый электропривод циркуляционных насосов атомных электростанций / Г.Б. Онищенко, В.М. Пономарев, Е.Ю. Анищев и др. // Электропривод. 1976. №4 (48).

59. Алиев И.И. Асинхронный энергосберегающий двигатель. Электротехника №11, 2001. с. 39-41.

60. Котеленец Н.Ф., Семикин С.А., Мощинский Ю.А., Кирякин А.А. Оценка возможности применения встроенных конденсаторов для возбуждения асинхронных машин. Известия ВУЗ. Электромеханика №4, 1991. с. 60-62.

61. Пат. 2112307 RU, МКИ 6 Н02 к 17/28. Асинхронная компенсированная электрическая машина. Савицкий А.Л., Мугалимов Р.Г., Савицкая Л.Д.// Открытия. Изобретения. 1998г. №15.

62. Сыромятников И. А. Режимы работы синхронных и асинхронных двигателей 4е изд., переработ, и доп. / Под ред. Л.Г.Мамиконянца. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

63. Петров Г.Н. Электрические машины. Ч. 2. М.: Энергия, 1974.

64. Вольдек А.И. Электрические машины. М.-Л.: Энергия, 1974.

65. Сорокер Т.Г. Расчет характеристик асинхронного двигателя //Бюллетень ВЭИ. 1941, №6. С. 27-32.

66. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники. Изд. 6-е, перераб. и доп. Учебник для студентов энергетических и электротехнических вузов. М.: Высшая школа, 1973.

67. Турин Я.С., Кузнецов Б.И. Проектирование серий электрических машин. — М.: Энергия, 1978г.

68. Ильинский Н.Ф. Рожанковский Ю.В., Горнов А.О. Энергосбережение в электроприводе //Энергосберегающая технология электроснабжения народного хозяйства. /Под ред. В.А. Веникова. -М.:Высш. шк., 1989.-129с.

69. Шенфер К.И. Асинхронные машины. М.-Л.: ГОНГИ, 1938.

70. Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р., Мугалимова А.Р. Методика расчета емкости компенсирующего конденсатора для асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 16/ Под ред.

71. А.А. Радионова. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2009. С. 168177.

72. Г. Корн и Т. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1970.- 720 с.

73. Яцкин, Н. И. Алгебра: Теоремы и алгоритмы: учеб. пособие / Н. И. Яцкин. — Иваново : Иван. гос. ун-т, 2006. — 506 с.

74. Кравчик А.Э., Шлаф М.М., Афонин В.И., Соболенская Е.А. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник. М.: Энергоиздат, 1982.

75. Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р, Губайдуллин А.Р. Свидетельство Российской Федерации о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009615464.

76. Мугалимова А.Р., Кретов С.В., Губайдуллин А.Р., Мугалимов Р.Г. Опыт создания энергосберегающих электроприводов волочильных станов. // Промышленная энергетика. -№7.-2009. -С. 11-15.

77. Мугалимова А.Р., Губайдуллин А.Р., Мугалимов Р.Г. Экспериментальные исследования электроприводов волочильного стана на основе энергосберегающих асинхронных двигателей. // Известия вузов. Электромеханика. № 1. - 2009. - С. 43-47.

78. Программа для исследования рабочих и механических характеристик асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности при работе в симметричных и несимметричных режимах

79. Правообладатель(ли): Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (RU)

80. Автор(ы): Мугалимов Риф Гарифович,

81. Гуркин Максим Алексеевич, Мугалимова Алия Рифовна (RU)1. Заявка № 2009613741

82. Дата поступления 14 ИЮЛЯ 2009 Г.

83. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ4 сентября 2009 г.

84. Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам1. Б.П. СимоновттшШтАш фвдиращшж1. ЙЙЙЙЙЙжж ж ж ж ж ж ж ж жж ж ж ж ж ж1. СВИДЕТЕЛЬСТВОо государственной регистрации программы для ЭВМ2009615464

85. Программа для синтеза параметров схем замещения, рабочих и механических характеристик энергосберегающих асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности при их создании путем реконструкции традиционных асинхронных двигателей

86. Правообладатель(ли): Общество с ограниченной ответственностью <Научно исследовательское и опытно-конструкторское бюро «Энергосбережение> (RU)

87. Автор(ы): Мугалимов Риф Гарифович, Губайдуллин Артем Рифович, Мугалимова Алия Рифовна (RU)

88. Заявка № 2009614269 Дата поступления 3 августа 2009 Г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 1 октября 2009 г.

89. Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам1. Б.П. СимоновЖж ж ж ж ж жж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж жж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж

90. ЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖ'

91. ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ двигателя типа ASI 180М-2А (аналог АИР180М), Р„=22 кВт, ni=3000 об/минг. Магнитогорск, МУП «Трест Электротранспорт» 15.07.2008 г1. Цель испытаний:

92. Проверить правильность электрических соединений выводов рабочей и компенсационной обмоток.

93. Оценить показатели холостого хода двигателя без компенсирующих конденсаторов.

94. Оценить показатели холостого хода двигателя при работе с компенсирующими конденсаторами.

95. Определить целесообразность испытания двигателя под нагрузкой. По п.1 результаты измерений приведены в таблице 1.