автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Оптимизация электропривода центробежных машин

г*

\ и На праиах рукописи

. 8 № 1998

ЗИНОВЬЕВ Алексей Юрьевич

"ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ МАШИН"

Специальность 05.09.О.Ч-Электротехнические комплексы и системы, включая их уирамлеиие и роулиромание

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученом степени кандидата технических наук

Москва

1'М

Работа выполнена на кафедре Автоматизированною электропривода Московского энергетического института, (трхничпского укивогеитета)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Ильинский Н.Ф.

Официальные оппоненты- академик Академии Электротехнических

наук, доктор технических наук, профессор Иваном Г.М.

кандидат технических паук IНемирен К). И.

Ведущее предприятие- Акционерное общество "ВНИИЭ"

Защита диссертации состоится "IL." декабря 1998г. в аудитории М-214 в

16_час 00 мин. на заседаниiФиОГе^ТСЩС/ОМНОГО Совета К-053.16.06 в

Московском энергетическим институте (Техническом университете), адрес 1Т1250Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (Техническою университета). Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенным нечам.ю, направляй. по лдресуДв двух эмемплярах, заверенные печатью) просим паправляп. по адресу: IHübO Москва Красноказарменная ул., д 14. Ученым Сопп М')11 ( ГУ)

Ашорефераг ра юс.чап "tO-ftOfWp|.)>),Si.

Ученый ceKpeiapi-диссертационного Совета К-053.16.06

, Л'/,- /'l , ... „

к. т.н., доцент ' Анчарова [ .1!.

ОЬЩЛЯ Х/М'ЛКТШ'ИСТИКЛ РЛЬО'ГЫ

ЛкIу;и_11>1 ¡ос"1 ь темы работы.

Центробежные машины, типичными представителями которых и пли км си насосные агрегаты и вентиляторные установки, являются одной ш важнейших составляющих парка машин. По некоторым оценкам насосные агрегаты и вентиляторы, находящие применение к различных технологических процессах, и сфере водоснабжения и вентиляционных системах, составляю! около 30'<7. машинной) парка и потребляют более 40рг нрои ¡водимой энергии.

До настоящего времени в центробежных машинах преобладает нерегулируемый электропривод с короткотмкнутыми асинхронными двигателями, а управление производительностью осуществляется крайне неэффективным способом-дросселированием. Этот способ регулирования связан с существенными потерями электроэнергии, в связи с чем проблема перехода к регулируемому >лекфоприводу актуальна и представляет большой практический интерес.

Диссертации связана с изучением характеристик регулируемых насосных агрегатов и вентиляторных установок, выработкой способов и алгоритмов их оптимизации. Работа выполнялась па основе договоров кафедры АЭП МЭИ с городскими коммунальными службами, фирмой ЛО "Согозгидропоставка", кош рак га с европейской фирмой "ИМОФА", а также работ, проведенных автором на кафедре электропривода техническою института г. Билефельда (Германия).

Цель работы. Основная цель состояла в рассмотрении вопросов комплексной оптимизации электропривода центробежных машин на основе применения регулируемого электропривода с учетом традиционного шена привода вентиляторов - ременной передачи.

Для достижения укатанной цели решались следующие задачи:

I. Сравнитслыгый анадтн вошожпых способов регулирования 1ехполо| ическтгх координат центробежных машин и выбор па его основе наиболее целесообра шых и экономичных технических решений.

А

2. Экспериментальное исследование оснонпых характерно мк центробежных машин с нерегулируемым и регулируемым электроприводом, определение зависимостей между электрическими и технологическими координатами центробежных мащин при использовании частотно-регулируемого электропривода.

3. Разработка методик экспериментального исследования ременных передач и определения зависимости потерь в ременной передаче от влияющих факторов.

4. Разработка алгоритма компьютерной программы рационального выбора электропривода вентиляторной установки.

Методика____проведения______исследоиании. В основу работы

положеныэкспериментальные исследования регулируемого привода центробежных машин на стендах завода "ЭНА" и кафедры гидромашиностроения МЭИ, испытания привода по системе тиристорный регулятор-асинхронный двигатель-вентиляторная установка, а также организованные на основе теории планирования эксперимента исследования ременных передач, проведенные на кафедре АЭП МЭИ.

Обработка экспериментальных данных велась с использованием аппарата математической статистики. Общность выводов устанавливалась сопоставительным анализом результатов, полученных на различных объектах. Научная новизна

Получена база экспериментальных данных, дающая представление об энергетических показателях ре;шьных систем преобразователь частоты-асинхронный двигатель- центробежная машина.

Дана экспериментальная оценка регулирования координат центробежных машин с помощью преобразователя напряжения, сделано заключение о возможной области использования данного способа регулирования - маломощные установки бытового назначения.

Проведена оценка допустимых режимов работы и системе преобразователь частоты - асинхронный двигатель - центробежная машина, показана возможность увеличения расхода при малых напорах.

Синтезирована универсальная зависимость, связывающая электрические и технологические координаты центробежной машины.

Предложен и обоснован общий вид зависимости потерь в ременной передаче от влияющих на потери факторов. Разработана методика экспериментального определения коэффициентов модели передачи.

Разработан алгоритм компьютерной программы по оптимальному выбору и проверке электропривода вентилятора с ременной передачей.

Г!убЛ!ШШ!Ш

По теме диссертации опубликованы две статьи в журнале "Вестник МЭИ", статьи в журнале "Электротехника" и "Информатика в машиностроении". Результаты работы были доложены на конференции по энерго - и ресурсосбережению (Москва, 1-2 февраля 1995).

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 40 наименований, 8 приложений, содержит 129 страниц машинописного текста, 47 рисунков и 9 таблиц.

Содержание работы

Введение содержит обоснование актуальности диссертационной работы в связи с возросшей в последнее время значимостью проблемы энерго-и ресурсосбережения в промышленности и коммунальном хозяйстве. Сформулированы цели и задачи исследований.

Подчеркнута необходимость комплесного подхода к выбору способа регулирования технологических координатцентробежных машин.

Наряду с рассмотрением прогрессивных способов регулирования указано на необходимость поиска резервов экономии электроэнергии за счет оптимизации традиционных звеньев электропривода.

В_первой главе дана общая характеристика объекта исследования и

оптимизации - центробежных машин общего назначения, показаны основные

компоноикп насосных <11 peíamn и т.-и i или iopiii.iv yci.тонок и ныделены ipwniM нешробежпых м;ш|им для дальнейшею ИССДСДОНаНПЯ.

Püccmoi peí п.: м())м(1жмыс способы peí улиронапня координат центробежных мшшш. дана их оценка с i очки .¡рения onepi ei пческои зффекнтноетн и сделан иыиод о прелпо'пшельиости частотною peí улиронапня. Определены оспоппые напраиления ошимшацни, осномапные на частошом рстулироилшш скорой и дншагеля п ош имальпом мроек'1 проиании ременноп передачи иешилягора е целью снижения потерь и устранения ре юпапеных янлении.

Обоснонана тнможносп, опенки jnepreiимеекмх noKajaie ieii центробежных машин макегироманием па насосном aiperaie, исходя iu обшноаи осноипых laimcHMocieii:

Ule м- утлокая скорое п., Q- расход. И- напор, Р- мошносн..

Из большою количества cymeci кующих гипоп мен шля юрой ныделены основные, характеристики которых прицелены на рис. I.

|>=(,,3, Q--(i)

(I)

г

Т"

Наибольшее распространение и системах

-1 -

; ' «Г>1а -

иенгплинип и конлишюпиронания получили кеншляторы шпон П,П,1;. ГОСТ 5976-73

предусматривает семь копсфуктинных схем

соелппепия нентплягора с принодпмм лвшаи'К'м.

закрепленным пепосредсшепно на валу )1ек1 р<>Д1ипа1ел i (лмамор рабочею колеса менее КО см) и с клппоремеппон передачей с

Пока uno, чю наиболее широкое применение получили схелы с рабочим колесом.

постоянным передаточным отношением (дпамефом от Х(1 до !Ы) ем).

I'nc.l

Эти типоразмеры и конструктивы стали предметом более подробного рассмотрения ввиду массового характера их использования.

Из широкой гаммы насосов наибольшее распространение в сфере водоснабжения и водоотведения получили центробежные насосы (рис. 2).

«• «• 100 120

12,5 15 50 Ш Ц^ч

Рис. 2

По мощности насосные агрегаты можно условно разделить на три большие группы: мощные (более 500кВт) агрегаты энергетических объектов; промышленные агрегаты и насосные станции централизованного водоснабжения (50-3()0кВт); массовые установки (2-50кВт), к которым относятся насосы с подачей 12-100мЗ/ч и напором 20-80 м.и.ст. Если и нерпой группе м силу ее специфики уже давно применяют прогрессивные пилы электропривода, то по второй и особенно в третьей, наиболее массовой, до настоящего времени абсолютно преобладает нерегулируемый электропривод с короткозамкнугыми асинхронными двигателями, а управление производительностью осуществляется крайне неэффективным способом-дросселированием.

Регулирование может осуществляться принципиально тремя способами: при постоянной частоте ирпшении мала двигатели и центробежной машины, при постоянной частоте вращения вала двигателя и изменяемой частоте вращения вала машины и с изменяемой частотой вращения вала двигателя.

р 1,0

К первой группе можно отнести следующие способы: -изменение числа машин, работающих на общую магистраль;

-дросселирование, т.е. введение в магистраль дополнительного сопротивления; этот способ универсален и используется повсеместно, несмотря на его крайне низкую энергетическую эффективность;

-закручивание входящего в колесо вентилятора потока воздуха; -применение закрылок у конца лопаток колеса;

-уменьшение активной ширины колеса при помощи передвижного диска.

Последние способы предполагают

специальную- усложненную- конструкцию машины, в связи с чем мало используются в массовых установках.

Ко второй группе относится регулирование гидромуфтой, индукторной муфтой скольжения, ременным вариатором скоростей и т.п.

Третья группа предполагает переменную частоту вращения вала двигателя многоскоростной двигатель или регулируемый электропривод центробежной машины. В работе произведено сопоставление наиболее .)ффСк*1 МВНМХ С КОПСфуКПШНОЙ II с шерютичеекой ючки фении способов рС1улироваиия производительности; результаты сравнения приведены па рис.З.

Рис. 3

Из проведенного анализа следует: 1. Центробежные машины- насосы и вентиляторы- при очень широком ра шообра щи их копе! рук I ивнм.ч решении обладаю! ыубокой общностью функциональных и энергетических характеристик, основанной на одинаковых отношениях подобия.

в

о,4 о,б о,а 1,о 1 -дросселирование

2-осевой напрвляющий агрегат

3-индукшюнпая муфт скольжения

4-нреобразова Iел ь час 1 оI ы

2. Энергетически целесообразные способы регулирования координат центробежных машин основаны на рациональном управлении частотой вращения приводного двигателя, т.е. на использовании регулируемого электропривода.

3. Параметры ременных передач, широко используемых в венциляционных установках, оказываюг существенное влияние на энергетические показатели агрегатов.

Вторая глава посвишепа получению и детальному анализу энергетических характеристик центробежных машин с частотно-роулируемым электроприводом, оценке граничных режимов и дополнительных возможностей при работе центробежных машин с регулируемым электроприводом, поиску связи между электрическими и технологическими параметрами установки с целью обеспечения оптимального управления режимами центробежной машины.

Для макетирования центробежной машины с пологой характеристикой был использован насосный агрегат типа КМ с мощностью приводного двигателя 15кВт, работающий в составе испытательного стенда; испытывались также центробежные машины с круто падающей характеристикой на основе насосного агрегата типа К мощностью 9кВт.

Для получения характеристик центробежной машины в координатах Р=Г(0) задаваласье требуемая частота и посредством дроссельной задвижки изменялся расход в пределах от 0 до 20». Характеристики были получены для значений частот 20,30,35,40, 45, 50, 60Гц.

Снятие семейства характеристик магистрали производилось следующим образом: при частоте 50Гц с помощью задвижки фиксировались дискретные значения расхода и при этом для каждого такого значения снималась характеристика в диапазоне частот от 0 до 60Гц.

Проведенные исследования позволили получить ряд зависимостей электрических (ток, входная мощность), механических (скорость, напор) и энергетических (КПД, совф) показателей от расхода. Примеры характеристик для насосного агрегата типа КМ приведены на рис.4.

1 \

1 ,' г /

£

и"

1 * I

! I

Рис.4

Из анализа полученных экспериментальных данных следует:

1.Расход при пониженной скорости может быть больше номинального без перегрузки двигателя.

2. Система преобразователь частоты-асинхронный двигатель-центробежная машина обеспечивает устойчивое регулирование напора в диапазоне от 30% до 150% от номинального; практический диапазон регулирования напора может быть оценен как 3:1.

3. Характеристики напор-расход и мощность-расход практически совпадают при питании от сети и преобразователя частоты на 50Гц, потери в преобразователе малы (3-5%).

4. Ообый интерес представляет область напоров выше номинального, недоступная как при нерегулируемом приводе, так и при иных, кроме частотного, способах регулирования. Здесь просто достигается значительный - до 50% рост напора при 20% увеличении частоты.

Установлено, что между током двигателя и расходом существует линейная связь при фиксированной частоте для любого типа насоса. Примеры таких зависимостей в относительных величинах для насосов типа К и КМ приведены на рис.5.

а) б)

Рис.5

Легко доступный для измерения ток позволяет судить о мгновенном значении расхода, а также оценивать по интегральному показателювеличины расхода за заданное время, что может эффективно использоваться при создании алгоритмов управления частотно - регулируемым приводом центробежных машин.

Зависимость, связывающая значения (}* и Г можно представить в виде: /' +Ь2/\ (2)

где Ь0, Ь|, Ь2- коэффициенты полинома, Г*=ГДН- приведенное значение частоты

Для синтеза универсальной зависимости, связывающей указанные выше величины было введено понятие "идеальной центробежной машины", работающей в режиме, когда номинальной нагрузке (}*=1 соответствует номинальное значение потребляемого тока 1*= 1.

Полученное соотношение имеет следующий вид:

/ид =0,73 + 0,11^ + 0,43/, (3)

где g и Г- значения величин расхода и частоты в кодированном виде.

В связи с тем, что компановки центробежной машины и приводного двигателя могут быть различны, был введен пересчетный коэффициент,

отражающий специфику каждой комплектации и определяемый следующим образом:

К - р = 1 , (4)

'и

где Р| - значение потребляемой из сети мощности при 1~5()Гц. Таким образом, зная пересчетный коэффициент и зависимость 1*=Р(0*,Р) для "идеальной центробежной машины", можно определить значение расхода для любой комплектации насосного агрегата.

В третьей главе по заказу ряда фирм Германии рассмотрена возможность использования преобразователя напряжения - наиболее простого и дешевого средства регулирования производительности бытовых маломощных вентиляторов, собранных по схеме Р (рис.1). Целью исследования было получение тепловых характеристик двигателя вентиляторной установки и сравнение фактических параметров с допустимыми.

Для получения экспериментальных данных в лобовой части обмотки, подшипниковом узле и поверхности корпуса двигателя были установлены термопары; использовался комплекс измерительных средств, включающий ваттметр, амперметр, вольметр, осциллограф и цифровой мультиметр. Были проведен испытания, позволившие получить зависимости перегрева указанных выше частей двигателя от угла управления ТРИ при различных состояниях выходной задвижки.

Величина относительного значения перегрева определялась по следующему соотношению:

Т (/)„, -т

ПО',,, =

где ТО) , Т(0 - температура элемента 1 при угле управления а.к и а0 Т- температура окружающей среды.

(5)

Превышение перегрева наиболее критичных к тепловым перегрузкам частей (подшипниковый узел Т3 и лобовая часть обмотки Т2) - рис.6 - составляет от 4 до 10%, хотя результаты теоретического анализа показывают гораздо большие шачения. Этот факт можно объяснить интенсивным отводом тепла закрепленным на валу рабочим колесом вентилятора, что неполно учитывалось при теоретическом анализе.

а', (п,сф'м*<)

Рис.6 Рис.7

Для оценки температур в наиболее перегретой части двигателя было использовано расчетное соотношение (5), в котором в качестве базовой для приведения используется величина температуры лобовой части обмотки двигателя: ТО) _ Т(2) Из диаграммы на рис.7 следует, что перегрев имеет наибольшее

"О "О-

значение при диапазоне регулирования 1:1,2 и превышает перегрев подшипникого узла более чем в 1,5 раза, а корпуса двигателя - в 2 раза.

Пример динамических тепловых характеристик приведен на рис.8.

12 15 18 21 21. 27 30 33 35 ЭЭ Е^хма, мн

Анализ динамических характеристик показы паст, что после останова привода наблюдается рост температуры

подшипникового узла из-за ухудшения теплоотдачи (характерно для вентиляторов, с непосредственным креплением двигателя). Этим обстоятельством нельзя пренебрегать при рассмотрении возможностей использования данного способа регулирования. Были получены осциллограммы, дающие представление о влиянии угла управления на форму питающего тока и напряжения.

Рис.8

Таким образом, экспериментально установлено, что параметрическое регулирование допустимо для центробежных вентиляторов малой мощности (соши ватт) с однофазными асинхронными двигателями, встроенными в вентилятор.

В результате проведенных аналитических исследований показана нецелесообразность использования параметрического регулирования частоты вращения центробежной машины в продолжительном режиме при мощностях 2 кВт и выше, поскольку для этого требуется завышение мощности двигателя в 2-2,5 раза, ротор с повышенным скольжением, принудительный отвод тепла.

В четвертой главе разрабатывается мечодпка экспериментальной) исследования потерь в ременной передаче (I'll), производится синтез энергетической модели, связывающую величину потерь энергии в РП с ее параметрами и режимами работы, а также проводится оценка условий возникновения резонансных явлений.

0 3 6 9

< yilll-l. I liytollim.' С I ill Ij'lilJ) I М I.к' МС|ОД||к|| HI.IDp.l II раСЧСЫ I'll IK' IUI >ll< > 'I M К > I

upon шести со оптимальный иыбор с точки зрения минимизации потерь, что и ряде сд\чаеи увеличивает общие потери n вентиляторном агрегате на 5 - ICr.

II I аналща фишки работы i'fl можно предположить, чго потери мощности в пси \I* 1,|иися I о1следующи\ величин:

АР = F(d,,d,, L, Мг ,(0 ,, .у, Fü, E,klv, z), <6>

i.ic J|ii dj- диаметры cooiBcicineinio недомою и ведущего шкипои; 1.- длина ремня;

М . и с>: - момент и частота вращения на налу приводного двигателя;

Г,,- величина жпяжения ремня:

Г- модуль упругости материала ремня;

кч,- коэффициент трения ремня;

s- сечение ремня;

/- число ремней и РП.

После разделения нсех влияющих на потери факторов на варьируемые пользователем и представляющие для него непосредственный интерес и неизменные для конкретной серии ремней зависимость (6) для дальнейших исследований может быть представлена в следующем виде: АР=Р14ЛМИ,ы2,г) (7)

а величины F., /, kTp, Fq определят условия исследования.

Синтез даже простейшего полинома первого порядка, представляющего (7), пофебует проведения 2'-~64 опытов с использованием методов оптимального планирования эксперимента. Статистический анализ модели ведет к дополнительному росту числа опытов (повторные измерения), а необходимость варьировать каждый из 6 параметров требует большого числа типоразмеров ремней.

Сокращение числа факторов было проведено на базе метода анализа размерностей. После выполнения ряда ал!ебраических преобразований модель (7) представлена в виде:

AiL Mfur,

(8)

М1ы2 \dj \üj

т.е. шестифакторная задача сведена к трехфакториой, что делает возможным проведение активною эксперимента дли определения коэффициентов модели. Переход от первоначальных размерных факторов к безразмерным комплексам

обеспечивает значительные преимущества при проведении эксперимента.

Для получения экспериментальных данных был использован специализированный стенд с двумя двигателями постоянного тока и необходимыми приборами, обеспечивающий возможность задания момента и скорости на валу приводного двигателя путем использования индуктивно-емкосного преобразователя (источника тока) для питания якорных цепей машин и обратной связи по ЭДС двигателя.

На основе комплексных испытаний была получена база экспериментальных данных, обработка которых производилась при помощи электронной таблицы STAB. Проведенный дисперсионный анализ позволил сделать вывод о том, что в различных точках плана влияние случайных величин одинаково, и полученные экспериментальные данные можно использовать для получения коэффициентов математической модели потерь в РП.

Проведенные испытания позволили получить математические модели потерь для двух типов РП: клиноременной (SPA) и зубчатоременной (ХРА):

ДР _ (I L

(10)

(11)

Испытания во внеплановых точках показали хорошую сходимость экспериментальных и расчетных данных, что позволяет сделать вывод об адекватности полученных моделей (10) и (11) опытным данным и о возможности их использования для оценки потерь в РП при различных значениях выделенных факторов.

Одна из решавшихся в работе задач- поиск решений, исключающих возможность возникновения в системе резонансных явлений. В связи с этим был проведен ряд теоретических и практических проработок, позволивших связать величину частоты вращения привода, при которой возможно возникновение резонанса, с рядом параметров двухмассовой системы вентилятор- двигатель с упруг им звеном- ременная передача. Искомая зависимостьимеет вид:

где и 1 - опасная частота вращения,

.11, .12- моменты инерции вращающихся масс двигателя и вентилятора, 1- передаточное отношение.

Разработанная методика опытного определения упругостных свойств ремня повышает достоверность расчета опасной частоты вращения.

Полученные энергетические модели ремней БРА и ХРА удобны для оценки потерь в ременных передачах при их различных компановках и режимах работы. Выявленные условия возникновения резонансных явлений в двухмассовой упругой системе: асинхронный двигатель-ременная передача-вентилятор позволяют исключить опасные сочетания параметров при проектировании и эксплуатации вентиляторных установок с регулируемым электроприводом.

В пятой_главе изложен алгоритм и принципы построения прикладной

компьютерной программы, поддерживающей оптимальный выбор и расчет ременной передачи и дающий пользователю информацию для принятия обоснованного решения по проектированию ременной передачи для конкретного механизма.

(12)

Рассматриваемый вариант программы разрабатываем по заказу Европейской фирмы ИМОФА и отражал специфику ее приводов. Главное меню программы содержит следующие основные разделы: "Технические данные", "Описание обьекта", "Выбор передачи", "Проверка передачи", "Помощь". В пункте меню "Технические данные" пользователю предоставляется информация об основных параметрах ремней фирмы ОПТИБЕЛТ, о возможных параметрах двигателей и шкивов. Здесь же возможно осуществить проверку правильности натяжения ремя.

Выбору передачи предшествует диалог с пользователем в процессе которого им выбирается тип нагрузки, задаются базовые скороеi и валов и передаваемая мощность, называется тип источника питания (сеп, или ПЧ), определяются условия работы привода (jieikiie, средине, ыжслыс, сиермяжслме) и время рабшы привода.

На основе введенной информации программа предлагает несколько возможных вариантов реализации- ременной передачи. В качестве показателей качесша, позволяющих отдать предпочтение тому или иному варианту, предлагаются КПД передачи и сервис-фактор (запас по числу ремней) (рис.10). Пользователь должен выбрать один из устраивающих ею вариантов для дальнейшей более детальной проработки.

Рис.9

Пользователю предоставляется возможность менять параметры выбранной передачи, режимы ее работы и наблюдать их влияние па потери в ременной передаче, оценка которых может быть представлена, в частности, в стоимостном выражении.

Важным разделом, также представляющим практический интерес для пользователя, является часть прграммы, предупреждающая о возможности вибраций в приводе, обусловленных ременной передачей и предлагающая способы их устранения. Варьируя доступные параметры пользователь добивается исключения резонансных явлений; предусмотрена также возможность автоматического поиска оптимальных решений, предоставляющая на усмотрение пользователя несколько вариантов, исключающих вибрацию.

Разработанная-программа весьма универсальна и может быть адаптирована к продукции конкретных производителей.

В результате выполнения данной части работы были сформулированы требования к организации прикладной компьютерной программы: форма экспертной системы, дружественный пользовательский интерфейс, ориентация программы на использование моделей наиболее приближенных к реальным, четкая структура информации.

По контракту с фирмой ИМОФА разработан алгоритм программного обеспечения выбора и проверки ременной передачи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показано, что частотно-регулируемый асинхронный электропривод-универсальное средство для решения задач оптимизации центробежных машин с точки зрения энергопотребления.

Регулирование скорости путем изменения напряжения не пригодно для работы в длительном режиме и может быть использовано лишь лтя вентиляторных установок небольшой мощности (сотни ватт).

2. Показано, что между расходом (производительностью) насоса или вентилятора и током двигателя при любой частоте существус! линейная зависимость.

позволяющая по легко доступной для измерения величине судить о мгновенном значении расхода, что может эффективно использоваться для управления координатами центробежной машины.

3. Определена область допустимой работы частотно-регулируемого привода центробежной машины в плоскости потребляемая мощность-расход. Показано, что при снижении скорости и давления может быть допущена работа в зоне расходов больше номинального.

4. Разработан общий вид и экспериментальным путем определены коэффициенты полиномиальной зависимости, связывающей величину потерь в ременной передаче с рядом влияющих факторов- диаметры шкивов, длина ремня, количество ремней, частота вращения и момент на валу двигателя. Установлена связь между зонами резонансных явлений и параметрами вентиляторной установки.

5. Результаты оптимизации привода вентиляторной установки представлены в виде прикладной компьютерной программы, созданной по контракту с фирмой ИМОФА.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Сарач Б.М., Зиновьев А.Ю., Бастунский A.M., Новаковский А.Н. Заводские и натурные испытания насосных агрегатов с преобразователем частоты.// Научно-технический семинар "Энергосберегающий электропривод насосов и вентиляторов в промышленности икоммунальном хозяйстве",- Москва, 1995

2. Сарач Б.М., Зиновьев А. Ю., Трубецкой C.B., Кузнецова В.Н. Энергосберегающая насосная станция.// Вестник МЭИ.- 1995/1, с.63-66

3. Энерго- и ресурсосбережение в сфере промышленности и коммунального хозяйства.// Вестник МЭИ,- 1995/1, с.98-99

4. Жарников С.И., Зиновьев А.Ю., Платонова В.Е. Прикладная компьютерная программа "Юшноременные передачи"//Информатика - Машиностроение, 1994/2, с. 17-IS.

5. Сергиевский Ю.Н., Платонова В.Е., Зиновьев А.Ю. Энергетические модели ременных передач и их использование в проектировании Электропрш1ода//Элсктротехника, 1994/7, с.42-43.

Печ л. / '¿у Тираж /¿?£> Заказ b'flj

Типография МЭИ, Красноказарменная. IS.

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (Технический университет)

На правах рукописи

ЗИНОВЬЕВ Алексей Юрьевич

ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ МАШИН

(Специальность 05.09.03-Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор Ильинский Н.Ф.

Москва

1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................4

Глава 1. СТРУКТУРЫ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ,

УПРАВЛЕНИЕ КООРДИНАТАМИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ МАШИН.........8

1.1 Структуры вентиляторных установок......................................................8

1.2.Массовые насосные агрегаты.................................................................14

1.3. Обзор способов регулирования координат центробежных

машин...........................................................................................................17

1.4. Результаты и выводы.............................................................................22

Глава 2. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ МАШИН ПРИ УПРАВЛЕНИИ СКОРОСТЬЮ.......................................23

2.1. Общие сведения.....................................................................................23

2.2. Организация эксперимента...................................................................25

2.3. Анализ экспериментальных.данных. Граничные режимы..................31

2.4. Связь между технологическими и электрическими координатами агрегатов с центробежными машинами.....................................................39

2.5. Результаты и выводы.............................................................................45

Глава 3. ЭЛЕКТРОПРИВОД ЦЕНТРОБЕЖНЫХ МАШИН

ПО СИСТЕМЕ "ТИРИСТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ-АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ"...............................................................46

3.1. Общие сведения.....................................................................................46

3.2. Оценка возможностей способа для промышленных центробежных машин............................................................................................................49

3.3. Параметрическое регулирование маломощных бытовых вентиляторов................................................................................................52

3.4. Результаты и выводы.............................................................................61

Глава 4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РЕМЕННОЙ ПЕРЕДАЧИ.....62

4.1. Общие сведения.....................................................................................62

4.2. Энергетическая модель ременной передачи........................................64

J

4.3. Экспериментальная установка.............................................................73

4.4. Экспериментальное определение параметров модели и ее статистический анализ................................................................................78

4.5. Модели резонансных явлений в системе двигатель-

ременная передача-вентилятор...................................................................84

4.6. Результаты и выводы.............................................................................88

Глава 5. КОМПЬЮТЕРНАЯ ПРОГРАММА "РЕМЕННЫЕ ПЕРЕДАЧИ"................................................................................................89

5.1 Общие сведения.....................................................................................89

5.2 Структурные блоки программы............................................................90

5.3 Организация программы.......................................................................95

5.4 Результаты и выводы..............................................................................99

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................100

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................101

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.......................................................................................105

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.......................................................................................106

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.......................................................................................108

ПРИЛОЖЕНИЕ4........................................................................................104

ПРИЛОЖЕНИЕ5........................................................................................111

ПРИЛОЖЕНИЕ6........................................................................................112

ПРИЛОЖЕНИЕ7........................................................................................113

ПРИЛОЖЕНИЕ8........................................................................................115

ВВЕДЕНИЕ

Центробежные машины, типичными представителями которых являются вентиляторы и насосы, являются одной из важнейших составляющих парка современных машин. По некоторым оценкам насосные агрегаты и вентиляторы, находящие применение в различных технологических процессах, а также в сфере водоснабжения и вентиляционных системах, составляют около 30% машинного парка и потребляют более 40% производимой энергии. До настоящего времени в них преобладает нерегулируемый электропривод с короткозамкнутым асинхронным двигателем, а управление напором и производительностью осуществляется крайне неэффективным способом- дросселированием.

Появление на широком рынке электронных средств регулирования-преобразователей частоты и возросшая необходимость рационально использовать энергию остро поставило проблему перехода к регулируемому электроприводу массовых центробежных машин.

Диссертация выполнена в рамках этой большой проблемы, и ее основная цель- обеспечить научно-техническую поддержку расширяющемуся использованию регулируемого электропривода массовых центробежных машин посредством решения следующих актуальных задач.

1. Сравнительный анализ возможных способов управления технологическими координатами центробежных машин средствами регулируемого электропривода; обоснование областей применения различных систем.

2. Исследование характеристик системы преобразователь частоты -асинхронный двигатель-центробежная машина, обоснование граничных режимов и новых структур информационных каналов преобразователя частоты.

3. Оптимизация ременных передач вентиляторов по энергетическому критерию.

4. Разработка алгоритмов компьютерных программ, поддерживающих рациональное проектирование электропривода вентиляторной установки.

В основу работы положены результаты исследований регулируемого привода центробежных машин на стендах завода "ЭНА", на кафедрах гидромашиностроения и автоматизированного электропривода МЭИ и на кафедре электропривода технического института г. Билефельд (Германия). Обработка экспериментальных данных велась с использованием аппарата математической статистики. При организации и проведении экспериментальных исследований использовались приемы теории эксперимента.

Работа выполнялась на основе договоров с городскими коммунальными службами, фирмой АО "Союзгидропоставка", а также контракта с фирмой "ИМОФА" (Голландия).

Центробежным машинам- насосам и вентиляторам посвящено громадное количество публикаций Это, в первую очередь, книги и статьи, относящиеся к проектированию, конструированию, оптимизации собственно машин- [10], [12] и многие другие. Имеется весьма обширная справочная литература-[25], [26], [27], [30].

Существенно меньше работ - [20], [7], [8], [23] относится к способам управления центробежными машинами средствами электропривода, поскольку эта возможность лишь недавно стала реальной и эффективной.

Сравнительно немного работ посвящено рациональному проектированию установок с центробежными машинами- насосных станций, вентиляторных агрегатов и т.п. -[12], [14]. В частности, практически отсутствуют (кроме каталогов и справочников) работы по оптимальному выбору с учетом энергетического критерия ременных передач, используемых во многих вентиляционных установках и существенно влияющих на общий КПД агрегата.

В данной работе сделана попытка восполнить отмеченный выше недостаток информации в области создания современных установок с центробежными машинами.

Научная новизна данной работы состоит в получении базы экспериментальных данных, дающей обобщенное представление об энергетических показателях системы преобразователь частоты-асинхронный двигатель- центробежная машина.

Показано, что частотно-регулируемый электропривод- универсальное средство для решения задач оптимизации привода центробежных машин; использование регулирования изменением напряжения не пригодно для работы в длительном режиме при мощностях более 1 кВт и может быть использовано лишь для вентиляторных установок небольшой мощности (сотни ватт) при работе в определенном диапазоне скоростей.

Установлено, что между расходом (производительностью) центробежной машины и током двигателя существует линейная зависимость, что может эффективно использоваться кэк для управления производительностью вентилятора, так и для измерения текущего расхода.

Определена область допустимой работы частотно-регулируемого привода центробежной машины в координатах потребляемая мощность-расход и показано, в частности, что при снижении скорости и давления может быть допущена работа в зоне расходов больше номинального.

Разработана полиномиальная модель ременной передачи вентиляторной установки, связывающая потери в передаче с диаметрами шкивов, длиной ремня, количеством ремней, частотой вращения и моментом на валу двигателя. Установлена связь между зонами резонансных явлений и параметрами вентиляторной установки.

Разработан алгоритм компьютерной программы, поддерживающей выбор и проверку электропривода вентилятора с ременной передачей; результаты оптимизации привода вентиляторной установки представлены в виде прикладной компьютерной программы, созданной по контракту с фирмой ИМ О ФА.

Компьютерная программа используются фирмой ИМОФА при проектировании ременных передач и может быть использована в качестве

поддержки продажи компонентов вентиляторной установки с использованием ременной передачи.

Выводы, сформулированные в результате исследований, используются при проектировании современных регулируемых электроприводов центробежных машин.

По теме диссертации опубликованы статьи в журналах "Электротехника". "Вестник МЭИ", "Информатика в машиностроении", проведен ряд выступлений на семинарах по энергосбережению и научно-технических конференциях.

ГЛАВА 1. СТРУКТУРЫ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, УПРАВЛЕНИЕ КООРДИНАТАМИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ МАШИН.

1.1. Структуры вентиляторных установок

Вентиляторы обычно делят на устройства специального назначения и общего использования. Вентиляторы специального исполнения применяются для работы в системах пневмотранспорта, для перемещения среды, содержащей агрессивные вещества, газов с высокой температурой, газопаровоздушных взрывоопасных смесей [2].

Вентиляторы общего назначения [3] предназначены для перемещения воздуха и других газовых смесей, агрессивность которых по отношению к углеродистым сталям не выше агрессивности воздуха до 80 °С, не

содержащих пыли и других твердых примесей в количестве более 100 мг/м , а также липких веществ и волокнистых материалов.

Массовое применение имеют вентиляторы общего назначения с мощностью приводного двигателя от 150 Вт до 50кВт, с величиной полного давления до ЗОООПа и производительностью до 50000мЗ/ч, поэтому именно они стали предметом более подробного рассмотрения.

Характеристики ряда вентиляторов общего назначения [5] приведены на рис. 1.1.

Рис. 1.1

Наибольшее распространение в системах вентиляции и кондиционирования получили вентиляторы типов Б,Е,Р [5]. Их принципиальным отличием от других типов вентиляторов, представленных на рис. 1.1, является относительно пологий характер кривой Р=Г(С>), что обеспечивает устойчивую работу вентиляторной установки в достаточно большом диапазоне изменения производительности.

Вентиляторы общего назначения, выпускаемые по российским стандартам, имеют обозначение типа (буква Ц- центробежный), пятикратного значения коэффициента полного давления и значения

быстроходности при режиме лмакс ' округленных до целых чисел. К этому

обозначению добавляют номер вентилятора, численно равный диаметру колеса в дециметрах. Серийно выпускают вентиляторы номеров от 2,5 до 20.

По конструктивному исполнению рабочего колеса различают вентиляторы с лопастями загнутыми вперед и назад (рис.1.2) [27]

{■ < «с . « -ж" . - -V ^ 0* * • ■ ■. . .....■' - ■ двойное входное отверстие, вперед изогнутые лопатки , _ — * ' ■ 1 одиночное входное отверстие, вперед изогнутые лопатки

двойное входное отверстие, назад изогнутые лопатки (? ... одиночное входное отверстие, назад изогнутые лопатки

Рис. 1.2

К преимуществам вентиляторов с лопатками, загнутыми назад, можно отнести плавный характер их кривых давления и мощности. В связи с этим для механизмов этого типа менее опасны случайные перегрузки по расходу воздуха и даже пуск без сети, что достаточно важно при использовнии в обычных вентиляционных системах. Кроме того, их использование дает экономию энергии на 20%.

Как отмечено в [2], применение вентиляторов с лопатками, загнутыми вперед, при одинаковом диаметре колеса и одинаковой частоте вращения (по сравнению с вентиляторами с лопатками, загнутыми назад ) позволяет создать большее давление. Таким образом, одни и те же параметры расхода и

давления можно обеспечить при меньшем диаметре колеса и более низкой частоте вращения. Во многих агрегатах такая экономия места имеет очень важное значение.

Вентиляторы соединяются с электродвигателями одним из следующих способов [3]:

-рабочее колесо вентилятора закреплено непосредственно на валу

электродвигателя;

-с помощью эластичной муфты;

-клиноременной передачей с постоянным передаточным отношением; регулируемой бесступенчатой передачей через гидравлические или индукторные (электрические) муфты скольжения.

ГОСТ 5976-73 предусматривает семь конструктивных схем соединения вентилятора с приводным двигателем (рис 1.3).

м 3 2 1 1

г. и рЦЭв

з 2

Рис 1.3

Исполнение 1 (электровентилятор) применяется для вентиляторов небольших размеров. При этом достигаются компактность установки, ее

надежность, относительная бесшумность, а также экономичность благодаря отсутствию потерь в передаче.

Исполнения 2 и 4 широкого применения не получили, так как передняя опора и подшипник, установленные во входном отверстии, затрудняют вход воздуха в вентилятор.

Исполнение 3 рекомендуется при совпадении частот вращения электродвигателя и вентилятора, имеющего рабочее колесо большего диаметра или большей массы.

Исполнения 5 и 7 применяются для вентиляторов двустороннего всасывания (рис. 1.2). При этом обеспечивается большая жесткость конструкции (рабочее колесо расположено между подшипниками).

Исполнение 6 нашло наиболее широкое применение, что объясняется простотой присоединения вентилятора к сети и тем, что в случае необходимости можно легко и быстро производить замену приводных ремней.

Как следует из вышеприведенных замечаний и анализа случаев использования вентиляторов общего назначения наиболее широкое применение получили схемы с закреплением рабочего колеса непосредственно на валу электродвигателя (вентиляторы с диаметром рабочего колеса менее 80 см) и с клиноременной передачей с постоянным передаточным отношением.

В качестве приводных ремней, являющихся обязательным элементом большинства вентиляторных установок, находят применение клиновые и зубчатые ремни. В качестве примера, существующая гамма ремней представлена в [6] на примере немецкой фирмы производителя ОПТИБЕЛТ. В данной работе рассматриваются вентиляторные установки с передачей ремнями фирмы ОПТИБЕЛТ, некоторые параметры которых представлены на рис. 1.4.

Обозначение сечения. 8 РА БРВ БРС

хрг ХРА ХРВ ХРС

Ь, мм 9,7 12.7 16,3 22

И, мм 8 10 13 18

к-ь

Рис. 1.4

Типоразмеры и конструктивы, выделенные серым цветом, будут далее предметом более подробного рассмотрения ввиду массового характера их использования и поставленных исследовательских задач. В Приложении 1 представлены существующие габариты ремней и шкивов фирмы ОПТИБЕЛТ.

При выборе вентиляторной установки не следует принебрегать рядом ограничений, накладываемых ее компонентами. Так, при непосредственном соединении с двигателем таким ограничением является стандартная частота вращения, определяемая полюсностью двигателя.

При применении клиноременной передачи необходимо учитывать ограничения скорости клиновых ремней (25-30м/с). Для получения большого расхода воздуха главным ограничением является прочность клиновых ремней, выражающееся в возможности передачи одним ремнем максимальной мощности 35кВт при скорости 25 м/с.

При подборе вентилятора необходимо учитывать, что выбор режима работы на участке кривой давления слева от точки перегиба нежелателен, поскольку работа вентилятора приобретает неустойчивый характер. Ременная передача существенным образом влияет на энергетику установки в целом. Потери в ней при нерационально спроектированном приводе могут достигать 15% и более.

1.2 Массовые насосные агрегаты

Из широкой гаммы насосов наибольшее распространение в сфере водоснабжения и водоотведения получили центробежные насосы. Центробежные консольные насосы (ГОСТ 8337-57) изготовляются двух типов: К- с горизонтальным валом и отдельной опорной стойкой; КМ- с горизонтальным валом, моноблочные, с электродвигателем. Эти насосы предназначены для перекачивания воды питьевой и промышленного назначения, а также других чистых нейтральных жидкостей с температурой до 80°С [30].

Насосы типов КМ и К широко применяют в городских и промышленных системах водоснабжения, водос