автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Защита погружного электродвигателя от "сухого хода"

На правах рукописи

005531071

и

ИСУПОВА АЛЕКСАНДРА МИХАЙЛОВНА

ЗАЩИТА ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ «СУХОГО ХОДА»

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 ИЮН 2013

Зерноград - 2013

005531071

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» (ФГБОУ ВПО АЧГАА)

Научный руководитель: Гетманенко Владимир Михайлович

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Попов Николай Малафеевич

доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО Костромская государственная сельскохозяйственная академия, профессор кафедры)

Воронин Сергей Михайлович

доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО АЧГАА, профессор кафедры)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Кубанский государственный

аграрный университет (г. Краснодар)

Защита состоится «04» июля 2013 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.001.01, созданного при ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия», по адресу: 347740, г. Зерноград Ростовской области, ул. Ленина, 21 (зал заседаний диссертационного совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО АЧГАА.

Автореферат разослан «04» июня 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

Н.И.Шабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В животноводстве наибольшее распространение получили системы водоснабжения с применением водонапорной башни. В качестве водоподъемных агрегатов в системах водоснабжения животноводческих ферм широко используются центробежные насосы ЭЦВ с приводом от погружного водозаполненного электродвигателя типа ПЭДВ. Для управления работой погружного электродвигателя и его защиты применяют станции защиты и управления, эксплуатационная надежность которых в ряде случаев является неудовлетворительной. Одним из путей повышения надежности станций защит и управления является разработка защит, реагирующих не на причину, а на следствие аварийной ситуации.

Защита от «сухого хода» у большинства станций организована по принципу причинности аварийной ситуации, то есть реагирует на снижение уровня воды в скважине. При этом из-за «сухого хода» повреждается до 10% защищаемых электродвигателей. Таким образом, совершенствование защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» направлено на повышение эффективности водоснабжения и является актуальным.

Цель исследования — обоснование параметров защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса.

Научная гипотеза — для защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса необходимо контролировать два параметра: ток, протекающий по обмоткам статора, и время переходного процесса при наступлении «сухого хода».

Рабочая гипотеза - диапазон изменения тока статора погружного электродвигателя при «сухом ходе» насоса зависит от параметров системы водоснабжения и достаточен для срабатывания защиты.

Объект исследования - погружной электронасосный агрегат (ПЭА) животноводческих ферм и процессы его функционирования в нормальном и аварийном режиме, обусловленным «сухим ходом» насоса.

Предмет исследования - зависимость тока, протекающего по обмоткам статора погружного электродвигателя в режиме «сухого хода» насоса, от параметров системы водоснабжения и режима работы электрической сети.

Методы исследований. В работе использованы основные положения теоретических основ электротехники, теория электрических машин, теория движения жидкости в лопастных насосах, методы математической статистики и теории вероятности. Данные экспериментальных исследований получены с использованием современных приборов на натурной установке. При проведении исследований указанными методами применялись пакеты программ 51а^зПса 6 и МАТЬАВ БтиНпк.

Научную новизну результатов исследований составляют:

- методика определения мощности, подводимой к насосу в режиме «сухого хода», позволяющая установить степень снижения тока статора погружного электродвигателя при возникновении данного аварийного режима;

- уравнение регрессии, отражающее степень влияния отклонения напряжения питания и мощности нагрузки на величину тока статора погружного электродвигателя и установленная корреляционная зависимость между токами, протекающими по обмоткам статора погружного электродвигателя в номинальном режиме и при «сухом ходе» насоса.

- методика настройки и проверки исправности действия блока защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса, позволяющая повысить надежность защиты.

Практическую значимость имеют:

- блок защиты погружного электродвигателя от «сухого хода», который может встраиваться в действующие станции защиты и управления;

- методика настройки и проверки исправности действия защиты от «сухого хода», которая может быть использована для настройки станций защит и управления погружными электродвигателями.

На защиту выносятся следующие положения:

- методика расчета мощности, подводимой к центробежному насосу в режиме «сухого хода», позволяющая установить степень снижения тока статора погружного электродвигателя при возникновении данного аварийного режима;

- методика настройки и проверки исправности действия блока защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса;

- схемное решение блока защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса.

Реализация результатов работы. Блок защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса внедрен в крестьянском фермерском хозяйстве ИП Савельева Сергея Владимировича в сельском поселении Золота-ревское Семикаракорского района Ростовской области.

Методика настройки и проверки исправности защиты электродвигателя погружного насоса от перегрузки и «сухого хода» используется в ООО «Ка-гальникагропромэнерго» для станции защиты и управления «Каскад - Р» в станице Кагальницкая Кагальницкого района Ростовской области.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты исследований доложены и одобрены на научно-технических конференциях: ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» в 2010-2012 г., ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» 2011 г., ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова» 2011 г.

По результатам исследований получены в соавторстве 2 патента, и опубликовано 6 научных статей, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 115 наименований. Основное содержание работы изложено на 142 страницах машинописного текста, включая 46 рисунков, 11 таблиц и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введений обоснована актуальность темы, сформулированы цель исследования, научная и рабочая гипотезы, дано краткое содержание по главам, представлены основные положения, выносимые на защиту диссертации, а также изложена научная новизна и практическая ценность работы. Приведены сведения о внедрении результатов исследований, апробации, публикациях, структуре и объеме работы.

В первой главе «Обоснование необходимости совершенствования защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» в системе сельского водоснабжения» рассмотрены особенности процесса водоснабжения животноводческих ферм, причины выхода из строя ПЭА, являющегося одним из наиболее ответственных элементов системы водоснабжения, проанализированы основные виды защит погружных электродвигателей.

Проблему повышения эксплуатационной надежности защит погружных электродвигателей в своих работах решали П.И. Кириенко, В.Г. Петько, Г.Г. Рекус, Г.Г. Счастливый, В.Г. Семак, Г.М. Федоренко, В.П. Таран, А.О. Грундулис, В.Н. Данилов, A.A. Пястолов, А.П. Гришин, М.А. Таранов, Н.М. Попов, В.М. Гетманенко, C.B. Оськин и др.

Проведенный анализ показал, что в настоящее время разработано и применяется большое количество защит от перегрузки, несимметрии, короткого замыкания. Однако защита от «сухого хода» во многих действующих станциях реализуется с использованием электроконтактного датчика, опускаемого в скважину совместно с ПЭА. При этом нарушения в цепи датчика делают защиту нечувствительной к данному аварийному режиму. Применение альтернативных способов защиты погружного электродвигателя от «сухого хода», при организации водоснабжения животноводческих ферм, таких как реле давления, реле протока, поплавковых выключателей, либо технически невозможно, либо является достаточно затратным.

С другой стороны, многие существующие станции защиты и управления имеют датчики, контролирующие величину тока статора погружного электродвигателя. При возникновении «сухого хода» всасывающий патрубок оказывается выше уровня жидкости, и, следовательно, объем перекачиваемой насосом воды снижается, что приводит к уменьшению тока, протекающего по обмоткам статора. Таким образом, можно организовать защиту от «сухого хода» насоса, реагирующую на снижение тока погружного электродвигателя в станциях защиты и управления, имеющих устройства контроля тока.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Определить пороговое значение тока статора погружного электродвигателя, соответствующее наступлению режима «сухого хода», а также установить степень снижения тока по причинам не связанным с «сухим ходом» насоса, чтобы отстроить защиту от ложных срабатываний.

, 2. Определить выдержку времени при срабатывании защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса.

3. Произвести экспериментальную проверку полученных результатов.

4. Разработать технические средства и методику настройки и проверки защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса.

5. Оценить технико-экономический эффект при использовании блока защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса.

Во второй главе «Обоснование параметров защиты погружного электродвигателя при «сухом ходе» насоса» разработана методика определения мощности, подводимой к насосу в режиме «сухого хода», позволяющая установить степень снижения тока статора погружного электродвигателя при возникновении данного аварийного режима; исследовано влияние отклонения напряжения питания на ток погружного электродвигателя при «сухом ходе» насоса, что позволило обосновать ток срабатывания защиты. На основании проведенного имитационного моделирования установлено время наступления

режима «сухого хода», и обоснована выдержка времени при срабатывании защиты от «сухого хода».

Для водоснабжения животноводческих ферм применяют многоступенчатые центробежные насосы, позволяющие получать значительные" напоры. Напор, развиваемый насосом, должен быть достаточным для подъема жидкости на заданную высоту и преодоления потерь в напорном трубопроводе. В этом случае будет обеспечиваться подача воды в водонапорную башню.

«Сухой ход» возникает в ситуации, когда уровень воды з скважине падает ниже критического, и всасывающий патрубок насоса оказывается выше этого уровня. При этом установившийся режим сменяется переходным процессом, связанным со снижением развиваемого давления (напора), поскольку прекращается поступление воды в насос и нижние секции, опорожняясь, перестают участвовать в создании суммарного напора.

Переходный процесс продолжается до тех пор, пока развиваемое насосом давление (напор) не станет меньше давления (напора) требуемого системе. После этого либо закроется обратный клапан, либо, если насос эксплуатируется без обратного клапана, что весьма часто встречается на практике, столб воды будет удерживаться насосом, а подача жидкости в башню прекратится. В наступившем установившемся режиме насос не совершает полезной работы (жидкость не поступает в резервуар), а подводимая мощность расходуется на перемешивание оставшейся в насосе воды и потери. При этом в формировании гидравлических, объемных и дисковых потерь, происходящих в центробежном насосе, будут принимать участие только секции, находящиеся в воде.

Для определения мощности, подводимой к насосу в режиме «сухого хода», была разработана методика, представленная в виде алгоритма на рисунке 1.

начало

X

О

ВВОД: высота башни - Нб, глубина скважины - Нск„ длина электродвигателя - расстояние от скважины до башни - Ьтр, номинальный напор - Н, количество ступеней - ¡, номинальная подача — О, частота вращения — п, наружный диаметр колеса —

I

Напор, при котором прекратится подача воды в башню

тп

Т

Действительный напор ступени i

Количество ступеней с водой Нг

Н,

® Гидравлический КПД

е"

= 1 + 0,0835 • lg 3 — V и

Теоретический напор ступени

и - Hi 1 1 -, -

7 г

Мощность гидравлических потерь Pe=P-g-V-iC.X.-(HT-Hi)

— 9 I

Коэффициент быстроходности

4Q

ns =3,65

i— 10

H'

Объемный КПД 1

Vo =--J

1 + 0,68 -ns3

Г~ 11

?

Г ^

Величина утечки

q = Qi,-~ 1)

По

Ж

Мощность объемных потерь

Foc.=P'g-H7 • q■ icx

13

Скорость жидкости на выходе из колеса

я-n-D, и,--

60

Г 14

Мощность дисковых потерь Рдмр =1,632Л0-6-ul-Di

15

Мощность внешних механических л-п

потерь Рт = МГ1

30

16

Мощность, расходуемая на перемешивание воды (гидравлическая)

P„=p-g'V-icjerH,

ВЫВОД: значение мощности Pcx., подводимой к насосу при «сухом ходе»

19

конец

Рисунок 1 — Алгоритм расчета мощности, подводимой к насосу в режиме

«сухого хода»

По предложенному алгоритму в программной среде Excel был произведен расчет и построены диаграммы мощностей, подводимых к центробежным насосам с приводом от погружных электродвигателей установленной мощностью от 2,8 до 11 кВт в номинальном режиме и при «сухом ходе».

Анализ диаграмм мощностей показал, что при «сухом ходе» подводимая к насосу мощность снижается в зависимости от параметров насоса и системы водоснабжения на 32-47% по отношению к мощности, подводимой в номинальном режиме. Поскольку в режиме «сухого хода» изменяется мощность нагрузки погружного электродвигателя, то для определения тока статора были построены рабочие характеристики, представляющие зависимость тока от мощности нагрузки. Анализ рабочих характеристик показал, что для погружных электродвигателей мощностью от 2,8 до 11 кВт снижение мощности нагрузки, обусловленное «сухим ходом» насоса при номинальном напряжении питания и частоте сети, вызывает уменьшение тока статора на 25-30% по сравнению с током, протекающим в номинальном режиме. Исследование влияния отклонения напряжения питания на ток статора в режиме «сухого хода» показало, что при снижении напряжения на 10% ток статора будет выше, чем при номинальном напряжении UK. Поэтому для удовлетворительной работы защиты от «сухого хода», ток срабатывания защиты следует рассчитывать при напряжении питания равном 0,9U„.

На рисунке 2 приведены рабочие характеристики

электродвигателя ПЭДВ 4,5-140 при различных уровнях напряжения питания.

16 ■

15 ■

14 ■

13

12 ■

И

10

< 9

rfi

а о 7

о 5

а 4

3

2

1

0

✓

/

/ >

/

У

✓

✓ -

f-

^СХ У [ОМ

-Urt

■ - 0.9UH ......1,1UH

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500

Мощность нагрузки, Вт

Рисунок 2 - Рабочие характеристики

погружного электродвигателя типа ПЭДВ 4,5-140

Для определения выдержки времени при срабатывании защиты от «сухого хода» было произведено моделирование работы ПЭА в МАТЬАВ 8ппи1шк. Зависимость тока статора от времени в номинальном режиме, при возникновении переходного процесса и в режиме «сухого хода» для электродвигателя ПЭДВ 4,5-140, представлена на рисунке 3.

< .

к" о

н О

Время, с

1 - номинальный режим, 2 - переходный процесс, 3 - режим «сухого хода»

Рисунок 3 - Кривая изменения тока статора погружного электродвигателя ПЭДВ 4,5-140

В результате имитационного моделирования установлено, что время наступления режима «сухого хода», в течение которого происходит снижение тока статора до установившегося значения, для погружных электродвигателей мощность от 2,8 до 11 кВт составляет 0,4-0,5 с. Однако для отстройки защиты от ложных срабатываний, возможных при пуске погружного электродвигателя, выдержка времени при срабатывании защиты должна превышать время наступления «сухого хода» и быть соизмерима с выдержкой времени при пуске электродвигателя, которое составляет порядка 3 с.

В третьей главе «Методика проведения и обработка данных экспериментальных исследований» сформулирована цель и осуществлен выбор факторов для проведения исследований, описан эксперимент, а также произведена обработка результатов экспериментальных исследований.

— 1 -r-j-,-Г 2 -,- «-г+U-1-1-i-► -г 3-- «-!-►

[ i! J lili! i)ÍI1IT11 1 Jlliyl

i i .

1 1 Р

■ 1 1: lililí I! lili II lili

i ['1Ш1 ¡ г

i ¡ ¡ ¡ i <

Цель экспериментальных исследований заключалась в определении степени снижения тока, протекающего по обмоткам статора погружного электродвигателя в режиме «сухого хода» и при отклонении напряжения от номинального значения, по отношению к току в номинальном режиме", а также определении времени, соответствующего наступлению режима «сухого хода».

В качестве независимых факторов были приняты мощность нагрузки и напряжение питания. В качестве функции отклика принят ток, протекающий по обмоткам статора электродвигателя. Поскольку в сельских электрических сетях допускается отклонение напряжения не более чем на ±10% от номинального значения, а мощность нагрузки, как показали теоретические исследования, изменяется от своего номинального значения до мощности «сухого хода», то при проведении эксперимента, предусматривалось варьирование двумя факторами на двух уровнях (верхнем и нижнем).

Эксперимент проводился на действующей скважине с центробежным насосом ЭЦВ 6-4-190 с приводом от погружного электродвигателя типа ПЭДВ 4,5 кВт. Питание электродвигателя от сети осуществлялось через трехфазный регулятор напряжения типа ТРН, которым задавалось напряжение питания в диапазоне от 0,9% до 1,111н, в соответствии с планом эксперимента.

Предварительно на ПЭА крепились два электроконтактных датчика: первый располагался посередине насосной части агрегата, а второй находился ниже всасывающего патрубка так, чтобы его сигнал достоверно свидетельствовал о наступлении «сухого хода». ПЭА был переведен в режим дренажа. При этом когда уровень воды в скважине достигал первого датчика, электродвигатель включался и насос начинал откачивать жидкость, при этом мощность нагрузки была номинальной. Уровень воды опускался, и после того как он становился ниже уровня установки второго датчика, электродвигатель отключался от сети. Таким образом, какое-то время электродвигатель работал в режиме «сухого хода», когда уровень воды в скважине был ниже всасывающего патрубка. Во время работы ток электродвигателя регистрировался аналого-цифровым преобра-

зователем (АЦП) фирмы АОУАЫТЕСН серии РС1-1710, подключенным ко вторичным обмоткам трансреакторов, входящим в состав станции защиты и управления «Каскад-Р». Сигнал с АЦП подавался на ноутбук, где записывался в виде файла. На рисунке 4 приведена одна из записанных осциллограмм тока.

Рисунок 4 - Осциллограмма тока статора погружного

электродвигателя ПЭДВ 4,5-140 при напряжении 0,91]н

После обработки результатов полного факторного эксперимента, было получено уравнение приближенной регрессии (полином первой степени)

У= 7,275-0,625Х1 +1,930Х2, (1)

где У— отклик (ток статора);

Х1 — кодированное значение первого фактора (напряжение питания);

Х2 - кодированное значение второго фактора (мощность нагрузки).

Как показала проверка по /^-критерию Фишера, уравнение адекватно описывает зависимость тока статора погружного электродвигателя при изменении величины питающего напряжения и мощности нагрузки.

Поскольку процессы, происходящие в ПЭА, носят сложный характер, а проведение эксперимента на скважинах с другими типоразмерами агрегатов достаточно проблематично, то для проверки полученных теоретических зависимостей о связи между током статора погружного электродвигателя в номинальном режиме и при возникновении «сухого хода», был проведен корреляционный анализ между этими случайными величинами. В результате было получено уравнение прямой регрессии при напряжении 0,9 С/^

/^=-0,216+0,785-/^. (2)

Как показали расчеты, теоретические результаты не выходят за рамки доверительного интервала с надежностью 0,95.

В четвертой главе «Методы и средства повышения эксплуатационной надежности станций защит и управления» разработано устройство защиты погружного электродвигателя от перегрузки и «сухого хода», защищенное патентом РФ № 2444104; предложены схемные решения модернизации защиты от «сухого хода» для наиболее распространенных в сельском водоснабжении станций защит и управления типа «Каскад-Р» и СУЗ, а также предложена методика настройки защиты от «сухого хода».

На рисунке 5 приведена схема защиты погружного электродвигателя от перегрузки и «сухого хода», защищенная патентом РФ № 2444104.

от перегрузки и «сухого хода» (патент РФ № 2444104)

Напряжение, снимаемое с потенциометра R1, сравнивается с напряжением, заданным делителем напряжения (R2-R6). В нормальном режиме напряжение на инвертирующем входе компаратора DA1 больше, чем на неинвер-тирующем, поэтому на его выходе «0». На светодиод HL1 через резистор R6

поступает «О». На инвертирующем входе компаратора DA2 напряжение меньше, чем на неинвертирующем, следовательно, на выходе «1», этот сигнал поступает на вход инвертора, на выходе которого появляется «О». Этот сигнал подается через резистор R7 на светодиод HL2.

При «сухом ходе» ток снижается, напряжение на вторичных обмотках трансреакторов TAV1...TAV3 падает, на неинвертирующем входе DA2 напряжение становится меньше, чем на инвертирующем. На выходе появляется «О», который инвертируется и подается на светодиод HL2 — срабатывает сигнализация «сухой ход». Логическая «1» подается на вход элемента выдержки времени DT1 и, если неполадка не будет устранена, то сигнал с выдержкой времени подается на катушку реле KL1, контакты которой размыкают цепь питания катушки магнитного пускателя КМ1 (на схеме не показана), отключая электродвигатель от сети.

Данное устройство может встраиваться в существующие станции защиты и управления, имеющие датчика тока. Кроме того, в разработанном устройстве предусмотрена проверка работоспособности самой схемы защиты с использованием кнопок SB1 и SB2.

Для правильной работы защиты необходимо производить ее настройку в зависимости от действительного тока, поскольку фактический ток нагрузки зависит от многих факторов (диаметр трубопровода, высота водонапорной башни и пр.) и, как правило, меньше номинального. Поэтому защита, настроенная на перегрузку или «сухой ход» по номинальному току, часто оказывается не чувствительной.

Суть настройки защиты от «сухого хода» сводится к определению и установке опорного напряжения, подаваемого на инвертирующий вход компаратора DA2. В нормальном режиме напряжение, снимаемое с потенциометра R1 и подаваемое на неинвертирующий вход компаратора DA2, должно быть больше опорного напряжения, а при возникновении «сухого хода» становится ниже установленного порогового значения. При разработке методики настройки защиты от «сухого хода» были использованы результаты исследова-

ний В.М. Гетманенко, в соответствии с которыми рабочее напряжение Upas на потенциометре R1 определяется как:

ycpa6'UlJ

Un+AU'

(3)

а

| /срай

R1

Сгт

Un

Ucpañ.

а

R1

11рп5.

От

Upaí

Рисунок 6 - К определению рабочего напряжения

где и^ - напряжение на потенциометре при протекании рабочего тока В; и^ - напряжение на потенциометре Я1 при протекании тока срабатывания -защиты В; 11ц - напряжение, прикладываемое к потенциометру Ш, В; й11-величина, на которую возрастает напряжение, прикладываемое к потенциометру при перегрузке, В.

Из формулы (3) следует, что величина напряжения на выходе потенциометра Я1 будет изменяться только при изменении напряжения, снимаемого с вторичных обмоток трансреакторов ип, поскольку напряжение срабатывания защиты от перегрузки исра6 и добавка Ли определяются параметрами элементов схемы защиты и, при изменении режима работы электродвигателя, остаются постоянными. Тогда при возникновении «сухого хода» напряжение на выходе потенциометра Я1 определится из следующего выражения:

jji Ucpa6-U'n U рай —-

(4)

и'п-Ш'

где и!п - напряжение на выходе трансреакгоров при возникновении «сухого хода», В.

Величина напряжения и1 п определяется из нагрузочной характеристики трансреакторов в зависимости от фактического тока электродвигателя.

В пятой главе «Технико-экономическая оценка устройства защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» проводилась сравнитель-

ная оценка защит от «сухого хода», выполненных в станции защиты и управления типа «Каскад-Р» посредством электроконтактного датчика, опускаемого в скважину и с применением разработанного блока защиты. Как показали расчеты, коэффициент готовности станции защиты и управления с применением разработанного блока защиты повысился с 0,991 до 0,994. Годовой экономический эффект при этом составил 10959,47 рублей.

ВЫВОДЫ

1. В результате исследований установлено, что для погружных электродвигателей мощностью от 2,8 до 11 кВт происходит снижение мощности нагрузки, обусловленное «сухим ходом» насоса, на 32-47% (диапазон изменения мощности нагрузки зависит от параметров системы водоснабжения) по сравнению с мощностью в номинальном режиме, что позволяет определить пороговое значение тока статора, соответствующее наступлению режима «сухого хода». В частности, для погружных электродвигателей мощностью от 2,8 до 11 кВт ток, протекающий по обмоткам статора, снижается на 25-30% по сравнению с током в номинальном режиме работы.

2. Исследование влияния отклонения напряжения питания на ток статора погружного электродвигателя в режиме «сухого хода» показало, что при напряжении питания 0,9ином происходит увеличение тока, протекающего по обмоткам статора погружных электродвигателей мощностью от 2,8 до 11 кВт, на 10-12% по сравнению с током при номинальном напряжении, что позволяет рекомендовать для удовлетворительной работы защиты от «сухого хода» рассчитывать ее ток срабатывания при напряжении 0,9ином.

3. В результате имитационного моделирования определено, что время наступления режима «сухого хода», в течение которого происходит снижение тока статора до установившегося значения, для погружных электродвигателей мощностью от 2,8 до 11 кВт составляет 0,4-0,5 с, что позволяет отстроить защиту от «сухого хода» от ложных срабатываний, возможных при пуске погружных электродвигателей, и принять выдержку времени при сра-

батывании защиты, соизмеримой с выдержкой времени при пуске, которая составляет порядка 3 с.

4. В результате экспериментальных исследований установлено, что при уменьшении мощности нагрузки, обусловленной «сухим ходом» насоса, степень снижения тока в 3 раза больше, чем при изменении питающего напряжения. Это позволяет исключить ложные срабатывания защиты при изменении напряжения питания. Проведенный корреляционный анализ между токами погружного электродвигателя в номинальном режиме работы и при «сухом ходе» насоса позволил получить уравнение линейной регрессии. При этом теоретические результаты не выходят за рамки доверительного интервала с надежностью 0,95.

5. Разработано устройство защиты погружного электродвигателя от «сухого хода», защищенное патентом РФ № 2444104С1, принцип работы которого основан на измерении тока статора и отключении электродвигателя от сети при снижении током порогового значения, что позволяет отказаться от электроконтактных датчиков уровня в скважине и встраивать устройство в действующие станции защиты и управления, имеющие в своем составе трансреакторы (например, «Каскад-Р» и СУЗ).

6. Разработана методика настройки защиты от «сухого хода» на ток, протекающий по обмоткам статора в нормальном режиме работы, что позволяет исключить ложные срабатывания защиты от «сухого хода».

7. Расчет показателей надежности блока защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса показал, что коэффициент готовности возрос с 0,991 до 0,994. При этом годовой экономический эффект для фермы КРС на 200 голов составил 11000 рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: а) в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Исупова, A.M. Повышение эффективности защиты погружного электродвигателя при подаче воды из скважины / А.М. Исупова // Механизация и электрификация. - 2013. - № 3. - С. 18-20.

б) в сборниках научных трудов:

2. Исупова, А.М. К вопросу о защите погружного элеюродвигателя от «сухого хода» / AM. Исупова // Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах: сборник статей П Международной научно-практической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2011. - С. 119-121.

3. Исупова, A.M. Определение значения тока, потребляемого погружным электродвигателем при «сухом ходе» / A.M. Исупова // Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию со дня рождения профессора А.Г. Рыбалко; под ред. Е.Е. Демина. - Саратов: Издательство «КУБиК», 2011. - С. 62-64.

4. Исупова, A.M. Некоторые результаты опыта «сухого хода» погружного насоса / В.М.Гетманенко, А.М. Исупова // Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК: материалы VI Российской научно-практической конференции. — Ставрополь: Ставропольское издательство «Параграф», 2011. - С. 28-31.

5. Исупова, А.М. Устройство для защиты электродвигателя погружного насоса от перегрузки и «сухого хода» / В.М. Гетманенко, A.M. Исупова// Актуальные проблемы энергетики АПК: материалы III Международной научно-практической конференции; под ред. A.B. Павлова - Саратов: Издательство «КУБиК», 2012. - С. 100-102.

6. Исупова, A.M. Обоснование уставки защиты от «сухого хода» погружных электродвигателей / В.М. Гетманенко, А.М. Исупова // Пленарные доклады и тезисы сообщений Международной научно-практической конференции «Инновационные энергосберегающие технологии». - Москва: ФГБОУ ВПО МГАУ, 2012. - С. 139-140.

в) в патентах РФ:

7. RU 2444104 С1, МПК Н 02 Н 7/08 Устройство для защиты электродвигателя погружного насоса от перегрузки и «сухого хода» / В.М. Гетманенко, В.А. Черноносов, A.M. Исупова// Опубл. 27.02.2012, Бюл. № 6.

8. RU 117737 U1, МПК Н 02 Н 7/08 Устройство защиты погружного насоса от «сухого хода» / В.М. Гетманенко, Е.А. Аксенченко, И.Н. Максаев, A.M. Исупова // Опубл. 27.06.2012 Бюл.№18.

ЛР 65-13 от 15.02.99. Подписано в печать 31.05.13.

Формат 60x84/16. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 221

РО и ОП ФГБОУ ВПО АЧГАА 347740, Зерноград Ростовской области, ул.Советская, 15.

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "АЗОВО-ЧЕРНОМОРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АГРОИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ"

УДК 621.313.333.2 На правах рукописи

М 04201360506

ИСУПОВА Александра Михайловна

ЗАЩИТА ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ «СУХОГО ХОДА»

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент В.М. Гетманенко

Зерноград - 2013

СОДЕРЖАНИЕ стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1 ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЗАЩИТЫ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ «СУХОГО ХОДА» НАСОСА В СИСТЕМЕ СЕЛЬСКОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ .................................................................... 10

1.1 Особенности системы водоснабжения животноводческих ферм........................................................................ 10

1.2 Причины выхода из строя ПЭА...................................... 16

1.3 Причины выхода из строя погружных электродвигателей .... 19

1.4 Аналитический обзор защит погружных электродвигателей... 24

1.5 Выводы и постановка задач исследования........................... 35

2 ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЗАЩИТЫ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПРИ «СУХОМ ХОДЕ» НАСОСА...... 37

2.1 Обоснование тока срабатывания защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса................................... 37

2.1.1 Анализ влияния процессов, происходящих в центробежном многоступенчатом насосе, при «сухом ходе» на ток статора погружного электродвигателя..................................... 39

2.1.2 Анализ влияния отклонения напряжения питания на ток ста-

тора погружного электродвигателя.............................. 51

2.2 Обоснование выдержки времени при срабатывании защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса...... 53

2.3 Выводы по главе 2........................................................ 65

3 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ И ОБРАБОТКА ДАННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ............................ 60

3.1 Планирование эксперимента.......................................... 60

3.2 Методика проведения эксперимента................................. 65

3.3 Обработка результатов эксперимента............................... 68

3.4 Выводы по главе 3 ..........................................................................................................76

4 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ СТАНЦИЙ ЗАЩИТ И УПРАВЛЕНИЯ ... 77 4.1 Модернизация существующих станций защит и управления .. 77

Ф 4.2 Разработка устройства защиты на основе микроконтроллера .. 86 4.3 Выводы по главе 4....................................................... 91

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ «СУХОГО ХОДА»..................................................................... 92

5.1 Расчет показателей надежности защиты погружного электродвигателя от «сухого хода».................................................. 93

5.2 Расчет показателей экономической эффективности защиты погружного электродвигателя от «сухого хода»..................... 104

5.3 Выводы по главе 5........................................................ 111

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.......................................................... 112

ЛИТЕРАТУРА............................................................... 114

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................. 126

%

ВВЕДЕНИЕ

В сельском хозяйстве обеспечение животных и птиц доброкачественной водой является одним из важнейших условий охраны здоровья и повышения их продуктивности. При недостаточном потреблении воды нарушается нормальное пищеварение, задерживается выведение из организма ненужных и вредных продуктов обмена, происходит обеднение крови водой, наступает лихорадка [1].

Известно, что для производства одного литра молока корове требуется от 3 до 5 литров воды. Корова, у которой высокие надои, выпивает в среднем 5-8 литров воды в минуту [2].

При содержании свиней вода является одним из важных питательных элементов в их рационе. Свиньям, как правило, необходимо 2,5 литра воды на каждый килограмм потребляемого сухого корма [3]. Любое ограничение в воде отрицательно сказывается на потреблении корма, а значит - и на потенциале продуктивности свиней.

Для кур сокращение нормы питьевой воды наполовину снижает яйценоскость более чем на 15% [4]. Яйца при этом получаются легче, а сами куры худеют граммов на 200 [4]. Из-за срывов поения снижение живой массы несушек может составить от 5 до 15% [5]. У молодняка при возобновлении поения вволю живая масса восстанавливается за 72 часа [5].

Кроме удовлетворения потребностей животных и птицы в питьевой воде, её много требуется для поддержания нормальных санитарно-зоогигиенических условий (для подмывания вымени и мытья животных, для очистки помещений, дезинфекций, подготовки кормов, мытья посуды и пр.).

В настоящее время в 90% случаях потребности в воде для нужд животноводства обеспечивают системы механизированного водоснабжения, состоящие из: водозабора с насосной станцией, разводящей сети и регулирующих сооружений (водонапорных башен и резервуаров для хранения противопожарного запаса воды) [6, 7].

В качестве водоподъемных агрегатов, в системах водоснабжения животноводческих ферм, широко применяются центробежные насосы типа ЭЦВ с приводом от погружного водозаполненного электродвигателя типа ПЭДВ. Для управления работой погружного электродвигателя и его защиты используют системы автоматического управления типа СУЗ, САУНА, КАСКАД, ВЫСОТА и др.

Одним из наиболее значимых факторов влияющим на надежность функционирования системы водоснабжения животноводческих ферм является надежность работы электропривода погружного насоса. Проблему повышения эксплуатационной надежности электропривода погружных насосов в своих работах решали П.И. Кириенко, В.Г. Петько, Г.Г. Рекус, Г.Г. Счастливый, В.Г. Семак, Г.М. Федоренко, В.П. Таран, А.О. Грундулис, В.Н. Данилов, A.A. Пястолов, А.П. Гришин, М.А. Таранов, Н.М. Попов, В.М. Гетманенко, C.B. Оськин и др.

Однако исследования, проведенные в работе [8], показали, что надежность станций защит и управления все еще недостаточна. Одним из путей повышения надежности станций защит и управления является разработка защит, реагирующих не на причину, а на следствие аварийной ситуации.

Защита от «сухого хода» у большинства станций организована с использованием электродного датчика уровня, опускаемого совместно с погружным электронасосным агрегатом (ПЭА) в скважину. Отказы в цепи датчика делают защиту нечувствительной. Исследованиями [9] установлено, что по причине «сухого хода» из строя выходит до 10% погружных электродвигателей.

Таким образом, совершенствование защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса направлено на повышение эффективности сельскохозяйственного водоснабжения и является актуальным.

Цель исследования - обоснование параметров защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса.

Научная гипотеза - для защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса необходимо контролировать два параметра: ток, про-

текающий по обмоткам статора и время переходного процесса при наступлении «сухого хода».

Рабочая гипотеза - диапазон изменения тока статора погружного электродвигателя при «сухом ходе» насоса зависит от параметров системы водоснабжения и достаточен для срабатывания защиты.

Объект исследования - погружной электронасосный агрегат животноводческих ферм и процессы его функционирования в номинальном и аварийном режиме, обусловленным «сухим ходом» насоса.

Предмет исследования - зависимость тока, протекающего по обмоткам статора погружного электродвигателя в режиме «сухого хода» насоса, от параметров системы водоснабжения и режима работы электрической сети.

Результаты исследований изложены в диссертационной работе, состоящей из пяти глав основного текста.

В первой главе «Обоснование необходимости совершенствования защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса в системе сельского водоснабжения» рассмотрены особенности процесса водоснабжения животноводческих ферм, причины выхода из строя ПЭА, являющихся одним из наиболее ответственных элементов системы водоснабжения, проанализированы основные виды защит погружных электродвигателей.

Проведенный анализ позволил сделать заключение о целесообразности разработки защит погружных электродвигателей от «сухого хода», контролирующих изменение тока, протекающего по обмоткам статора и позволяющих отказаться от использования различных датчиков давления, уровня, протока, которые в настоящее время применяются для защиты погружных электродвигателей от данного аварийного режима. Однако для создания подобных защит необходимо установить пороговое значение тока статора погружного электродвигателя и время, соответствующие наступлению режима «сухого хода».

Во второй главе «Обоснование параметров защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса» установлена степень снижения тока статора, обусловленная уменьшением мощности, подводимой к насосу в режиме «сухого хода», и отклонением напряжения питания от номинального значения, позволяющая рассчитать ток срабатывания защиты. На основании проведенного имитационного моделирования установлено время наступления режима «сухого хода» и обоснована выдержка времени при срабатывании защиты от «сухого хода».

В третьей главе «Методика проведения и обработка данных экспериментальных исследований» представлена программа и методика экспериментальных исследований тока, протекающего по обмоткам статора погружного электродвигателя при изменяющейся нагрузке, обусловленной наступлением режима «сухого хода», и отклонении напряжения питания от номинального значения.

В результате обработки данных экспериментальных исследований получено уравнение регрессии, отражающее степень влияния мощности нагрузки и напряжения питания на ток статора погружного электродвигателя, установлена корреляционная связь между током статора погружного электродвигателя в номинальном режиме и при возникновении «сухого хода» насоса, экспериментально определено время наступления режима «сухого хода». Результаты экспериментальных исследований подтверждают теоретические предположения.

В четвертой главе «Методы и средства повышения эксплуатационной надежности станций защит и управления» разработано устройство защиты погружного электродвигателя от перегрузки и «сухого хода», защищенное патентом РФ № 2444104, предложены схемные решения модернизации защиты от «сухого хода» для наиболее распространенных в сельском водоснабжении станций защит и управления типа «Каскад -Р» и СУЗ, разработано устройство защиты погружного электродвигателя от перегрузки и «сухого хода» на основе микроконтроллера, а также предложена методика настройки и проверки защиты от «сухого хода».

В пятой главе «Технико-экономическая оценка устройства защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса» проведена сравнительная оценка защит от «сухого хода», выполненных в станции защиты и управления типа «Каскад-Р» посредством электродного датчика уровня, опускаемого в скважину совместно с ПЭА и с применением разработанного блока защиты.

Методы исследований. В работе использованы основные положения теоретических основ электротехники, теория электрических машин, теория движения жидкости в лопастных насосах, методы математической статистики и теории вероятности. Данные экспериментальных исследований получены с использованием современных приборов на натурной установке. При проведении исследований указанными методами применялись пакеты программ 81аиз1;юа 6 и МАТТАВ 8шшНпк.

Научную новизну результатов исследований составляют:

- методика определения мощности, подводимой к насосу в режиме «сухого хода», позволяющая установить степень снижения тока статора погружного электродвигателя при возникновении данного аварийного режима;

- уравнение регрессии, отражающее степень влияния отклонения напряжения питания и мощности нагрузки на величину тока статора погружного электродвигателя и установленная корреляционная зависимость между токами, протекающими по обмоткам статора погружного электродвигателя в номинальном режиме и при «сухом ходе» насоса.

- методика настройки и проверки исправности действия блока защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса, позволяющая повысить надежность защиты.

Практическую значимость представляют:

- созданный блок защиты погружного электродвигателя от «сухого хода», который может встраиваться в действующие станции защиты и управления;

- предложенная методика настройки и проверки исправности действия защиты от «сухого хода», которая может быть использована для настройки станций защит и управления погружными электродвигателями.

На защиту выносятся следующие положения:

- методика расчета мощности, подводимой к центробежному насосу в режиме «сухого хода», позволяющая установить степень снижения тока статора погружного электродвигателя при возникновении данного аварийного режима;

- методика настройки и проверки исправности действия блока защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса;

- схемное решение блока защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса.

Реализация результатов работы. Блок защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса внедрен в крестьянском фермерском хозяйстве ИП Савельева Сергея Владимировича в сельском поселении Золо-таревское Семикаракорского района Ростовской области.

Методика настройки и проверки исправности защиты электродвигателя погружного насоса от перегрузки и «сухого хода» используется в ООО «Кагальникагропромэнерго» для станции защиты и управления «Каскад-Р» в станице Кагальницкая Кагальницкого района Ростовской области.

Аппробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и одобрены на научно-технических конференциях: ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» в 2010 - 2012 годах, ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» 2011 г., ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И.Вавилова» 2011г.

По результатам исследований получены в соавторстве 2 патента, и опубликовано 6 научных статей, в том числе 1 статья в издании рекомендованном ВАК.

1 ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЗАЩИТЫ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ «СУХОГО ХОДА» НАСОСА В СИСТЕМЕ СЕЛЬСКОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

1.1 Особенности системы водоснабжения животноводческих ферм

По своему назначению системы сельскохозяйственного водоснабжения делятся на следующие основные группы [7]:

- системы водоснабжения поселков и ремонтно-технических станций;

- системы водоснабжения животноводческих комплексов и отдельно стоящих ферм;

- системы пастбищного водоснабжения;

- системы полевого водоснабжения.

Каждая из перечисленных систем имеет свои особенности организации схемы водоснабжения.

В частности, для водоснабжения животноводческих ферм, наибольшее распространение получила схема механизированного водоснабжения. На рисунке 1.1 приведена типовая схема водоснабжения животноводческой фермы.

1

1 - ПЭА, 2 - станция защиты и управления, 3 - водонапорная башня, 4 - разводящая сеть животноводческой фермы

Рисунок 1.1- Схема водоснабжения животноводческой фермы

В такой схеме вода забирается насосом из трубчатого колодца (скважины) и подается одновременно в водонапорную башню и разводящую сеть животноводческой фермы. Количество поступающей в бак воды равно разности между подачей насоса и расходом потребителей. После наполнения бака насосный агрегат отключается, и водоснабжение потребителей обеспечивается водой, запасенной в баке. Вместимость бака стандартных водонапорных башен - колонн 15...50 м3 и более. Общая вместимость бака определяется как сумма трех объемов: регулирующего, запасного и «мертвого».

«Мертвый» объем, как правило, невелик. В него входят отстойная часть бака и часть объема бака от его верхней кромки до максимального уровня воды.

Запасной объем должен хранить хозяйственно-производственный запас на случай перерыва в электроснабжении и пожарный запас воды, размеры которого определяются строительными нормами и правилами.

3 3

Регулирующий объем Ур (м ), подача насоса (м /ч) и текущее потребление воды Qp (.м3/ч) определяют продолжительность работы насосного агрегата Тр (ч):

т^ш-о,).

Продолжительность паузы Т„(ч):

Тп=У/0Р.

Соответственно время цикла Тц(ч):

т = т + т

х Ц р п•

Для подъема воды из скважин применяют в основном четыре типа водоподъемников [10]:

- вакуум-сифонные установки;

- центробежные насосы с горизонтальной осью;

- скважинные насосы с трансмиссионным валом;

- насосы с погружными электродвигателями.

Вакуум-сифонные установки, как правило, обслуживают группы скважин. Они редко используются из-за ограниченной глубины всасыва-

ния (до