2.2.3. ЭЛЕКТРОПРИВОД НАСОСОВ, ВЕНТИЛЯТОРОВ, КОМПРЕССОРОВ
2.2.3.1. Общие сведения. Требования к схемам электропривода насосных агрегатов. Электропривод насосных установок
Насосом [4, 5] называется гидравлическая машина, предназначенная для перемещения жидкости. На промышленных предприятиях наибольшее распространение получили центробежные лопастные насосы.
Центробежный насос (рис. 2.2.3.1) состоит из корпуса насоса 1 (спиральный диффузор), рабочего колеса 2, снабженного лопатками, вала 3, всасывающего патрубка 4 и нагнетательного патрубка 5. При вращении рабочего колеса находящиеся в нем частицы жидкости отбрасываются под действием центробежной силы к периферии, вследствие чего создается понижение давления у входа в рабочее колесо. Под действием атмосферного давления через всасывающую трубу в насос поступает новая порция жидкости. Так как при вращении рабочего колеса насоса действие центробежной силы непрерывно, то и подача воды насосом будет непрерывной.
Рис. 2.2.3.1. Центробежный насос
Основными величинами, характеризующими работу насоса, являются производительность (расход) Q, напор Н, мощность Р, число оборотов n, вращающий момент М и КПД η.
Проанализируем работу насоса с помощью характеристики Н—Q 154
(рис. 2.2.3.2). Рабочей точкой насоса при его работе на сеть, характеризуемой кривой С—Е, является точка А (пересечение характеристики насоса с характеристикой сети). В этой точке производительность насоса составляет 5700 м3/ч, развиваемый напор — 26,5 м вод. ст.
При изменении режима водопотребления, например при отключении от сети части потребителей, характеристика сети изменит свое положение (кривая СК) и рабочая точка насоса переместится в точку В. Для нового режима водопотребления производительность насоса составит 4000 м3/ч, а напор — 34 м вод. ст. Таким образом, центробежный насос обладает свойством саморегулирования.
Однако, как видно из примера, при переходе в новую рабочую точку наряду с изменением расхода меняется и величина напора. Последнее обстоятельство является в большинстве случаев нежелательным, а иногда и недопустимым по условиям надежной работы системы.
При дальнейшем снижении расхода рабочая точка переместится по характеристике в точку В', за которой лежит участок неустойчивой работы насоса. При работе на этом участке характеристик может иметь место «качание», т. е. насос может работать с различной производительностью при одном и том же значении напора (точки Р1 и Р2 при напоре Hн).
Характеристикой системы является кривая полезных напоров, определяющая при каждом значении расхода (производительности) наcoca тот напор, который должен быть получен для преодоления статической высоты подачи жидкости и потерь напора в системе. На рис. 2.2.3.2 прямая СД, параллельная оси Q, — линия статического напора, равного сумме геометрической и манометрической высот, кривая СЕ — характеристика системы, определяющая значение напора, равного сумме статического напора и напора, требуемого для преодоления сопротивления сети при определенной производительности.
Точка А пересечения характеристики насоса H—Q с характеристикой системы СЕ является той крайней точкой, которая определяет предельную производительность насоса, работающего на данную систему при постоянном числе оборотов. Из характеристики видно, что от насоса, работающего на данную систему, получить производительность больше, чем QA, нельзя, так как при всяком Q > QA требуемый напор неизбежно увеличивается, а напор, развиваемый насосом, уменьшается. Следовательно, насос не в состоянии преодолеть сопротивление системы. Поэтому точку А называют предельной рабочей точкой насоса. Полезный напор НА, развиваемый насосом в этой точке, затрачивается полностью на преодоление сопротивления системы.
Мощность на валу насоса можно определить исходя из работы, выполняемой при подъеме жидкости массой m на высоту H. Полезная мощность насоса
155
PП = |
Q H γ |
, |
(2.2.3.1) |
|
102 |
||||
|
|
|
где PП — полезная мощность насоса в кВт;
Q —производительность насоса (расход) в м3/с; H — напор, развиваемый насосом, в м вод. ст.; γ — плотность жидкости в кг/м3.
Рис. 2.2.3.2. Характеристика Н—Q насоса
Мощность на валу насоса определится исходя из механических и гидравлических потерь в самом насосе, т. е. его КПД ηн, который колеблется в пределах 0,6-0,9:
156
PH = |
PП |
= |
|
Q H γ |
. |
(2.2.3.2) |
ηН |
|
|||||
|
|
102 ηН |
|
|||
Мощность на валу приводного электродвигателя
PД = k |
PH |
= k |
Q H γ |
, |
(2.2.3.3) |
|
|
||||
|
ηi |
102 ηНηi |
|
||
где k —коэффициент запаса, принимаемый 1,1 - 1,2;
ηi — КПД передачи от двигателя к насосу. При жестком соединении валов двигателя и насоса ηi =1.
Обозначив ηH ηi через η и принимая во внимание, что производительность насоса обычно выражается в м3/ч, получим
PД = k |
|
Q H γ |
|
(2.2.3.4) |
||
102 |
3600 |
η |
||||
|
|
|||||
Из последней формулы можно выделить группу величин и их соотношение, которые используются на практике при решении вопросов регулирования и автоматизации.
Если постоянные величины обозначить через коэффициент k и учесть, что скорость пропорциональна оборотам насоса, то отношения напоров и расходов при оборотах n1 и n2 выражаются следующими уравнениями:
Q1 |
= |
n1 |
|
|
; |
|
|
(2.2.3.5) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Q |
|
|
|
|
|
n |
2 |
|
|
|
|
|
|
||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
H |
1 |
|
|
|
n |
|
2 |
|
|||||||
|
|
= |
|
|
|
1 |
|
; |
(2.2.3.6) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
H2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
n2 |
|
|
||||||||||
P |
|
|
|
|
n |
|
3 |
|
|
||||||
1 |
|
|
= |
|
|
|
1 |
|
|
. |
(2.2.3.7) |
||||
P |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
n |
2 |
|
|
|
|
||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
На практике в большинстве случаев приходится прибегать к совместной работе нескольких насосов и чаще всего к их параллельной работе для увеличения суммарного количества воды, подаваемой в общую магистраль. Для анализа параллельной работы насосов необходимо построить суммарную рабочую характеристику H—Q. Устойчивая работа насосов обеспечивается только на стабильных участках суммарной характеристики.
Наиболее распространенным приводом для насосных агрегатов с необходимой мощностью на валу до 300кВт являются асинхронные короткозамкнутые электродвигатели напряжением 380/220В. Для более мощных насосов применяют асинхронные или синхронные электродвигатели напряжением 6 или 10 кВ.
Для электропривода насосов применяют преимущественно асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, надежные и безотказные в эксплуатации и имеющие простую схему управления и защиты. Однако синхронные двигатели вследствие ряда преимуществ (более высокий коэффициент полезного действия, способность улучшать коэффициент мощности установки и поддерживать напряжение в узлах нагрузки при пе-
157
реходных процессах и др.) в настоящее время вытесняют асинхронный электропривод.
Электрооборудование и схемы управления насосными агрегатами, требования к схемам управления
Система автоматического управления насосным агрегатом должна обеспечивать выполнение всех условий работы, предусмотренных схемой, и соблюдение заданной последовательности действий при пуске или остановке насосного агрегата.
Условия работы агрегата или группы агрегатов определяются технологическим режимом работы системы, принятыми способами управления (местное, автоматическое, телемеханическое) и принятыми методами защиты.
Последовательность операций определяется гидромеханической схемой установки, типом приводов различных элементов и принятыми для них схемами пуска и останова.
Различают следующие гидромеханические схемы:
а) с пуском насосного агрегата без предварительного залива. Залив центробежного насоса не нужен, если верхняя точка насоса всегда остается ниже горизонта жидкости или жидкость поступает в насос уже с избыточным давлением (схема с постоянным заливом);
б) с пуском насоса с предварительным заливом (насос находится выше горизонта жидкости). Залив насоса может производиться от напорного трубопровода работающих насосов или при помощи вакуум-насосов. Вакуумустановка соединяется перед пуском с рабочей полостью насоса и создает в ней разрежение, под действием которого рабочее пространство насоса заполняется жидкостью.
Пуск и останов насосов может происходить при закрытой или открытой напорной задвижке.
Пуск при закрытой напорной задвижке обычно применяется для на-
сосов большой производительности, которые работают на протяженные трубопроводы, т. е. в системах, где при изменениях скорости истечения жидкости могут возникнуть гидравлические удары.
Пуск и останов насосов с открытой напорной задвижкой можно применять в следующих случаях: при насосах малой производительности; при работе насосов на трубопроводы небольшого протяжения; при низких рабочих давлениях в системе; при установке на трубопроводах противоударных устройств (гидрогасителей).
Пуск насосов при предварительном вакуумировании всегда осуществляется при закрытой напорной задвижке или запертом обратном клапане, так как при этом необходимо создать камеру, не соединяющуюся с атмосферой.
С точки зрения простоты и надежности работы насосных агрегатов в автоматическом режиме, наиболее целесообразна схема при постоянном за-
ливе насоса и пуске его на открытую задвижку. Особенно это важно при автоматическом включении резервного насоса в случае выхода из строя ра-
158
бочего, так как резервный насос включается в работу сразу без предварительного залива и открытия задвижки. Эти операции занимают иногда очень много времени (до 5 мин и более).
Однако тип гидромеханической схемы еще не полностью определяет схему управления и защиты насосного агрегата. Схема автоматического управления и регулирования зависит также и от режима потребления системы (графика нагрузки), и типа технологического параметра, который необходимо поддерживать в заданных пределах (давление, расход, уровень и др.).
При равномерном графике нагрузки применяют схему с постоянно работающими насосами и автоматическим включением резервного. При неравномерных и часто меняющихся графиках потребления применяют ступенчатое и непрерывное регулирование.
Ступенчатое регулирование производительности осуществляется изменением числа параллельно работающих насосов.
Плавное регулирование производительности насосов возможно дву-
мя способами: количественным, при котором требуемое изменение производительности насосной установки достигается путем дросселирования на стороне напора или всаса при постоянной скорости его вращения, и качественным, при котором изменение производительности осуществляется путем изменения скорости вращения насоса.
При количественном регулировании производительности насоса напорной задвижкой или специальным дроссельным затвором каждому новому режиму работы насоса соответствует определенная степень открытия дросселирующего органа, выражаемая в долях полного открытия.
Сущность качественного способа регулирования заключается в использовании свойства насосов менять свои характеристики H—Q при изменении числа его оборотов. Зависимость производительности от числа оборотов насоса выражается формулой (2.2.3.5).
Качественный способ регулирования может осуществляться или изменением числа оборотов приводного двигателя, или изменением числа оборотов только насоса посредством устанавливаемой между насосом и двигателем электромагнитной муфты скольжения или гидромуфты.
Наиболее экономичным из рассмотренных выше способов регулирования насосов является регулирование скорости их вращения. Действительно, при регулировании производительности дросселированием при помощи клапанов напор, развиваемый насосом, при прикрытии клапана возрастает в связи с уменьшением производительности (точки В и О на рис. 2.2.3.2), хотя для подачи уменьшенного количества воды требуется меньший напор. Излишний напор Н3 гасится на задвижке, нерационально увеличивая потребляемую насосом мощность. Действительно, вместо мощности (точка О)
Po = |
α Q H П |
|
(2.2.3.8) |
η |
|||
|
159 |
|
|
затрачивается мощность (точка В) |
|
|
|
||
PB = |
α Q (H П + H3 ) |
= P0 |
+ |
α Q H3 . |
(2.2.3.9) |
|
η |
|
|
η |
|
В случае же регулирования скорости вращения можно получить такой режим, при котором насос будет создавать напор, необходимый только для подачи требуемого количества воды в соответствии с характеристикой сети.
Для приводов насосов обычно применяются асинхронные или синхронные электродвигатели, поэтому наиболее целесообразно при качественном методе применять асинхронные муфты скольжения.
При проектировании и построении схем автоматического управления и регулирования насосных агрегатов следует стремиться осуществлять пуск насоса на открытую напорную задвижку. Пуск на закрытую задвижку необходимо применять только в случае, когда возможны гидравлические удары или по требованию завода — изготовителя насосов.
Схемы управления насосами, пуск которых осуществляется на закрытую задвижку, должны удовлетворять следующим требованиям:
- включение насосного агрегата должно быть возможно только при закрытой задвижке;
- при подаче импульса на отключение насосного агрегата отключение двигателя насоса должно осуществляться лишь после закрытия напорной задвижки;
- при отключении двигателя насоса от действия защит должно обеспечиваться последующее автоматическое закрытие напорной задвижки;
- при осуществлении пуска насосов с асинхронным короткозамкнутым электродвигателем на пустой водовод импульс на включение двигателя насоса следует подавать после того, как напорная задвижка тронется с места;
- при осуществлении пуска насосов с асинхронным короткозамкнутым электродвигателем на водоводы, находящиеся под давлением, импульс на включение двигателя напорной задвижки следует подавать после того, как насос разовьет давление, исключающее заклинивание задвижки под действием одностороннего давления;
- для насосов с синхронными электродвигателями момент подачи импульса на включение двигателя напорной задвижки рекомендуется выбирать из условия обеспечения вхождения двигателя насоса в синхронизм;
- при неполном закрытии или открытии (заклинивание) напорной задвижки, предназначенной для работы в двухпозиционном режиме «открыто
— закрыто», насос, связанный с этой задвижкой, должен отключиться.
Для упрощения схем автоматизации наиболее желательным является постоянный залив насосов.
Схема пуска насосов с предварительным заливом от вакуум-установки должна обеспечивать следующую последовательность операций: автоматическое включение вакуум-насоса, открытие соленоидных вентилей, контроль заливки насоса, включение насосного агрегата с последующим открытием
160
напорной задвижки, отключение вакуум-насосов и закрытие соленоидных вентилей. Контроль залива насоса следует производить с выдержкой времени, гарантирующей устойчивый залив насоса.
Схемы управления насосными агрегатами с автоматическим вводом резервного агрегата должны предусматривать возможность перевода в резерв любого агрегата данной группы.
Если в схеме управления имеются реле или другие аппараты, относящиеся к нескольким агрегатам (реле уровня, расхода, повторители и т. п.), питание их осуществляется от общих цепей для насосной станции. Общие цепи должны питаться от двух источников низкого напряжения и иметь устройство АВР и контроль напряжения. В качестве общих цепей также могут использоваться цепи предупреждающей или аварийной сигнализации.
При кратковременном исчезновении (снижении) напряжения следует предусматривать самозапуск ответственных электродвигателей при восстановлении напряжения после действия АПВ или АВР. Включение резервного агрегата должно происходить только в случае невосстановления напряжения в заданное время.
Для ремонтных и наладочных работ все схемы управления должны предусматривать, кроме автоматического сблокированного режима, местное несблокированное управление. Для сблокированных механизмов (например, насос и задвижка) исключается возможность работы одного из механизмов на автоматическом управлении, а другого — на местном.
Схемы управления
На рис. 2.2.3.3,а приведена гидромеханическая схема насосной станции с двумя насосами. Нормально работает один насос, второй является резервным и должен автоматически включаться при отключении рабочего насоса.
На рис. 2.2.3.3,б приведена принципиальная схема управления электродвигателем насоса 1ДН. Для электродвигателя 2ДН схема управления аналогична. Работа схемы особых пояснений не требует. Ключ 1ИР служит для выбора режима работы (местный — автоматический), ключ 1ИП — для выбора рабочего и резервного насоса.
На рис. 2.2.3.4 приведена гидромеханическая схема управления насосами, работающими на одну сеть с поддержанием в этой сети постоянного давления независимо от потребления. В схеме применена комбинация ступенчатого и непрерывного качественного регулирования (принято, что насосы работают при постоянном заливе).
Их запуск осуществляется на закрытую напорную задвижку. Насосы имеют подшипники скольжения, для которых предусматривается постоянный контроль температуры. Группа состоит из трех насосов, из которых два работают, а третий находится в резерве. Программа работы насосов задается ключом программы КП. Первая программа: насос №1 – в резерве; насос №2 включен на постоянную работу, а насос №3 включается при увеличении расхода до величины, большей производительности одного насоса. Вторая
161
Рис. 2.2.3.3. Управление двумя взаимно-резервируемыми насосами
программа: насос №2 – в резерве; насос №3 включен на постоянную работу; насос №1 включается при увеличении расхода. Третья программа: насос №3
– в резерве; насос №1 включен на постоянную работу; насос №2 включается при увеличении расхода. В схеме можно выделить задающий узел (РПР, РВВ, РВО и РП) и исполнительный программный узел (КИП, РУ, КП, ЛРП). В задающем узле формируются импульсы на включение или отключение очередного насоса, а в исполнительном узле эта команда выполняется.
Предположим, что насосы работают по первой программе. При увеличении расхода больше номинальной производительности насоса №2
162
Рис. 2.2.3.4. Управление насосами с поддержанием постоянного давления в сети:
а — гидромеханическая схема; б — схема управления
163
замкнется контакт датчика расхода Р и включится реле повышенного расхода РПР, которое своим замыкающим контактом включит реле времени РВВ.
Если расход в течение выдержки времени РВВ уменьшится так, что контакт Р разомкнется, схема возвратится в исходное положение. Если же расход будет оставаться больше производительности одного насоса, то по истечении установленной выдержки времени реле РВВ замкнет свой контакт в цепи реле РП и цепи включающей катушки реле управления РУ—ЗН, включая их: первое — по цепи 1—11—13—0; второе —1—21— 23—41—0. Реле РП, включившись, заблокируется и отключит цепь включения реле РВВ; одновременно подготовит цепь на включение реле времени РВО. Реле РУ—ЗН подаст команду на включение насоса №3.
При уменьшении расхода ниже производительности одного насоса (разомкнется контакт Р), реле РПР отпадает и включит реле времени РВО. Это реле по истечении выдержки времени замкнет свой замыкающий контакт в цепи отключающей катушки реле РУ—ЗН (1—21—31—45—0) и тем самым подаст команду на отключение насоса №3. Размыкающим контактом 1—11 реле РВО также отключит реле РП, которое подготовит цепь реле РВВ.
При неисправности какого-либо насоса (замкнута цепь 35—37—29 или 41—43—29) включается реле РУ—1Н резервного насоса по цепи 1—21— 23—35—37—29—25—0 или 1—21—23—41—43—29—25—0.
Для изменения программы работы насосов необходимо ключ изменения программы КИП поставить в положение И, которое обеспечивает отключение всех реле управления насосами от РУ—1Н — до РУ—ЗН по цепям 1— 47 и 1—49. Разрешение изменения программы сигнализируется горением лампы ЛРП.
Ключом КП избирается программа, после чего ключ КИП переводится в положение Р — работа.
Приведенная схема может быть использована не только для включения насосов при ступенчатом регулировании в функции расхода, но и в функции других параметров (давления, температуры, уровня и др.).
Всхеме в качестве реле РВВ и РВО используют моторные реле времени, позволяющие регулировать выдержку времени от нескольких секунд до нескольких десятков минут. Применение двухпозиционных реле РП-351 в качестве реле управления от РУ—1Н до РУ—ЗН обеспечивает работу управляемых насосов даже в случае исчезновения напряжения в схеме, так как реле сохраняют свое положение при исчезновении напряжения, и контакты в цепи работающих насосов остаются замкнутыми.
На рис. 2.2.3.5 приведена схема управления электродвигателем, соединенным с насосом через электромагнитную муфту скольжения ИМС.
Всхеме автоматического управления муфтой (см. рис. 2.2.3.5) дано двухпозиционное прерывистое регулирование, которое осуществляется при помощи контактов Б (больше) и М (меньше) и реле РИ (импульсный прерыватель). В качестве прибора, фиксирующего отклонение давления, может
164
165
Рис. 2.2.3.5. Схема управления насосом с муфтой скольжения
использоваться электронный мост, работающий от дифференциального манометра с индукционным преобразователем. Контакты Б и М включены в цепи управления моторным исполнительным механизмом ИМ, механически связанным с автотрансформатором (вариатором) AT.
Исполнительный механизм обеспечивает поворот рукоятки вариатора от 0 до 180°, которому соответствует изменение напряжения от 0 до максимума. Схема предусматривает пуск двигателя вхолостую, при этом вариатор установлен на 0 напряжения и муфта не возбуждается. При включении насоса подается напряжение на обмотку исполнительного механизма ИМ через замыкающие контакты Л и реле РЗЗ для вращения вариатора в сторону увеличения напряжения. Это увеличение длится до тех пор, пока насос не разовьет нормального давления и не начнет открываться задвижка. Когда задвижка открывается, реле РЗЗ отпадает и нарастание возбуждения прекратится.
К этому времени включится реле обрыва поля РОП, которое выключит реле муфты РМ и замкнет свой контакт в цепи реле контроля насоса РК. Реле РМ подготовит цепь для включения импульсного прерывателя РИ, который при отклонении давления от заданного подает импульсы на исполнительный механизм через контакты Б или М. Исполнительный механизм через автотрансформатор меняет возбуждение таким образом, чтобы давление стало равно заданному.
Как видно из схемы, при работе давление регулируется только на одном из насосов. При включении второго насоса муфта первого насоса возбуждается до максимума, а муфта включаемого насоса переключается на регулирование. Максимальное возбуждение подается на муфту при помощи размыкающего контакта РМ в цепи исполнительного механизма; при этом цепи регулирования отключены. Команды на включение двигателя поступают из схемы управления группой насосов (см. рис. 2.2.3.4).
В схеме предусмотрена возможность работы как в местном, так и в автоматическом режиме.
Реле контроля работы насоса РК обтекается током как при включенном, так и при отключенном электродвигателе и характеризует исправное состояние агрегата. Действительно, при отсутствии команды на включение (отключено реле РУ—1Н) и при закрытой задвижке реле РК находится под напряжением. В случае поступления команды на включение насоса в работу размыкающий контакт РУ—1Н разомкнет цепь реле РК, а замыкающий контакт включит контактор электродвигателя, который вхолостую быстро наберет обороты. Выдержка времени РК такова, что электромагнитная муфта успеет возбудиться (втянется реле РОП) и насос разовьет нормальное давление. Втянувшись, реле давления РД дает команду на открытие напорной задвижки; контактор ЛО своим замыкающим контактом через контакт РОП опять подаст питание на обмотку реле РК. Когда задвижка откроется, контактор ЛО отпадает, но РК будет питаться через замыкающий контакт реле откры-
166
тия задвижки РОЗ и контакты РД и РОП.
Если при включении или во время работы насоса возникнет неисправность (срыв напора, перегрев подшипников, заклинивание задвижки и т. п.), то цепь питания реле РК нарушается. Реле РК с выдержкой времени отпадает и отключает своим замыкающим контактом контактор Л, а размыкающим контактом подает команду на включение резервного насоса (см. рис. 2.2.3.4).
При подаче команды на отключение насоса реле РК питается через замыкающий контакт контактора закрытия ЛЗ и контакты РД и РОП. Отключение электродвигателя от сети произойдет только при полном закрытии напорной задвижки (разомкнутся контакты РЗЗ в цепи самоблокировки контактора Л).
При кратковременном исчезновении напряжения (работа АВР) контактор Л отключится, однако при восстановлении напряжения включится опять, так как цепь включения сохраняется в течение выдержки времени реле РК. Таким образом, схемой обеспечивается самозапуск электродвигателей включенных насосов.
На рис. 2.2.3.5 приведена также схема управления электродвигателями напорной и всасывающей задвижек насоса. Команда на открытие напорной задвижки ЗН подается при включенном насосе и нормальном давлении в его напорном патрубке (контакты Л и РД замкнуты). Закрытие задвижки происходит при подаче команды на отключение насоса контактом РУ—1Н (из схемы рис. 2.2.3.4) или при аварийном отключении насоса (контактом РД).
Заклинивание задвижки фиксируется максимальным токовым реле РМ, которое на время пуска электродвигателя шунтируется замыкающими контактами реле времени РВ. Срабатывание токового реле происходит при токах электродвигателя, превышающих в 3 — 4 раза номинальный ток. Сигнализация положения задвижек, а также управление всасывающей задвижкой возможны только при местном управлении.
Рассмотренные схемы управления приведены для группы из трех насосов. Для группы из четырех, пяти и более насосов построение схемы производится аналогично.
Схемы управления поршневыми насосами принципиально не отличаются от приведенных схем. Для поршневых насосов обычно применяют электропривод с синхронным электродвигателем, а регулирование производительности осуществляют без изменения скорости вращения насоса.
На рис. 2.2.3.6 показана заглубленная насосная станция в период монтажа. Все технологические трубопроводы располагаются под полом, который выполнен из съемных плит. Шкафы с электроаппаратурой устанавливают вдоль стен в непосредственной близости от насосов. Внутри шкафов установлена релейно-контакторная аппаратура, а на дверцах — ключи и кнопки управления, сигнальная аппаратура и приборы. Силовые и контрольные кабели проложены открыто на лотках, проходящих вдоль колонн. Силовые кабели от шкафов к электродвигателям насосов прокладываются в трубах
167
под полом.
Самозапуск насосных агрегатов Одним из главных условий рацио-
нального выполнения и эффективности автоматизации является осуществление самозапуска электродвигателей насосных агрегатов во всех случаях, когда это требуется и допускается по условиям нормальной работы питающей сети и приводных механизмов.
Самозапуск электродвигателей заключается в том, что при кратковременном перерыве питания или посадке напряжения двигатель не отключается защитой минимального напряжения, а остается подключенным к питающим шинам и при восстановлении напряжения начинает разворачиваться с промежуточных оборотов.
Для обеспечения самозапуска электродвигателей необходимо предусматривать условия, которые способствуют успешному разворачиванию механизма, а именно: уменьшение уставок времени срабатывания защиты; уменьшение времени автоматического включения резерва (АВР) и автоматического повторного включения (АПВ); применение форсировки возбуждения синхронных электродвигателей.
Однако выполнение этих условий не всегда позволяет осуществить самозапуск. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо производить проверку на возможность осуществления самозапуска.
Рис. 2.2.3.6. Насосная станция в стадии монтажа
Для этого по данным электродвигателя и приводного механизма определяют скорость, до которой затормозится агрегат при перерыве питания. С учетом нагрузки, подключенной к шинам, и по данным питающей сети оп-
168
ределяется остаточное напряжение в первый момент начала самозапуска. По полученному остаточному напряжению определяют асинхронный вращающий момент, который пропорционален квадрату напряжения. Этот момент сравнивается с моментом сопротивления механизма при данном скольжении и, если он превышает момент сопротивления на 10% и более, то самозапуск будет успешным.
Для асинхронного электродвигателя такая проверка будет достаточна. Для синхронного электродвигателя необходимо убедиться еще в возможности вхождения его в синхронизм при скольжении S = 0,05, для чего определяется реактивное сопротивление двигателя и остаточное напряжение сети при этом скольжении. Если вращающий момент больше момента сопротивления на 10% и более, то двигатель втянется в синхронизм и самозапуск будет осуществлен. Если вращающий момент синхронного электродвигателя меньше момента сопротивления, необходимо предусматривать специальные мероприятия для возможности осуществления самозапуска. Такими мероприятиями могут быть: форсировка возбуждения, ресинхронизация электродвигателя, разгрузка двигателя по мощности и др.
У синхронных электродвигателей в момент подачи напряжения при самозапуске могут возникнуть динамические нагрузки, значительно превосходящие допустимые вследствие несинхронного включения. Для определения возможности самозапуска синхронного двигателя, исходя из условий динамической устойчивости при несинхронном включении, следует подсчитать значение максимального момента динамических усилий. Максимально возможный момент динамических усилий сравнивается с моментом короткого замыкания электродвигателя. Если полученное значение динамического момента не больше момента короткого замыкания, то самозапуск может быть допущен. Если активное и реактивное сопротивление сети равны или больше, чем у двигателя, то можно заведомо сказать, что возникающие динамические усилия не превышают усилий при коротком замыкании.
Телемеханизация насосных станций
Полная автоматизация насосной станции, на которой отсутствует обслуживающий персонал, требует централизованного контроля ее работы. Кроме того, в ряде случаев возникает необходимость в полуавтоматическом дистанционном управлении отдельными агрегатами, полную автоматизацию которых трудно осуществить. Поэтому автоматизация насосных станций должна быть дополнена диспетчеризацией.
Диспетчерское управление насосными станциями и контроль за их работой в системе водоснабжения предприятия осуществляются при помощи телемеханических устройств.
Для телемеханизации насосных станций применяют комплектные бесконтактные телемеханические устройства, изготовляемые серийно заводами. Комплектные устройства телемеханизации состоят из полукомплекта ДП, устанавливаемого на диспетчерском пункте, и полукомплекта КП, устанав-
169
ливаемого на насосной станции. Полукомплекты связываются между собой каналом связи.
На диспетчерском пункте, кроме полукомплектов ДП, размещается щит, на котором располагаются мнемонические схемы телеуправляемых насосных станций, ключи управления и квитирования, сигнальные приборы и лампы. На пульте диспетчера устанавливают приборы телеизмерения, кнопки и лампы вызова телеизмерений, ключи управления телеустройствами, а также телефон прямой связи с каждой насосной станцией.
Вкачестве каналов связи для телемеханических устройств, как правило, используют свободные жилы кабелей телефонной связи. Могут также использоваться для этой цели радио и радиорелейные каналы, кабельные и воздушные линии электропередачи.
При диспетчеризации насосных станций следует исходить из минимально необходимого объема телемеханизации. С контролируемых и управляемых объектов должны передаваться только те сигналы, без которых не может быть обеспечено оперативное управление.
Для полностью автоматизированных насосных станций предусматривается только вызывная сигнализация в случае возникновения неисправности. Для насосных, значительно удаленных от диспетчерского пункта, автоматическое управление насосными агрегатами допускается дублировать телеуправлением, что дает возможность оперативного вмешательства диспетчера
вработу автоматики. Телеуправление предусматривается и в том случае, если в насосной станции установлены неавтоматизированные насосные агрегаты, требующие частых включений и отключений; электрифицированные задвижки оперативных переключений в системе водоснабжения; пожарные насосы, если их включение производится с диспетчерского пункта и т. п.
Электропривод и автоматизация работы насосов, вентиляторов и компрессоров
Всовременной технике большой класс составляют машины для подачи жидкостей и газов, которые подразделяются на насосы, вентиляторы и компрессоры. Основными параметрами, характеризующими работу таких машин, являются создаваемые ими подача, давление и напор, а также энергия, сообщаемая потоку их рабочими органами.
Подача — это количество жидкости или газа, перемещаемых машиной
вединицу времени. При измерении подачи в единицах объема ее называют объемной и обозначают обычно Q.
Разделим эти механизмы на несколько групп. К первой, наиболее распространенной, относятся насосы, вентиляторы и компрессоры центробежного типа, статическая мощность на валу которых меняется пропорционально кубу скорости, если потерями холостого хода можно пренебречь и отсутствует противодавление, т.е. это механизмы с так называемой вентиляторной характеристикой (рис. 2.2.3.7,а). Вторую группу составляют различные насосы и компрессоры поршневого типа, мощность на валу которых изменяет-
170
ся по синусоидальному закону в зависимости от угла ϕ поворота кривошипа (см. рис. 2.2.3.7,б и в). У поршневых насосов одинарного действия подача осуществляется только при движении поршня вперед, при обратном ходе подача отсутствует (см. рис. 2.2.3.7,б). Механизмы двойного действия осуществляют подачу при ходе поршня в обе стороны (см. рис. 2.2.3.7,в).
Во многих случаях при использовании насосов, вентиляторов и компрессоров необходимо регулирование их подачи. Нередко требуется глубокое периодическое регулирование подачи, если потребление воды, воздуха или технологических продуктов меняется в несколько раз. Иногда же требуется весьма незначительное, но постоянное подрегулирование подачи при отклонении параметров воздуха, воды от заданных значений.
В качестве примеров периодического изменения подачи можно привести шахтную водоотливную установку с непостоянным притоком воды, циркуляционную установку турбины при разной температуре охлаждающей воды, аэродинамические трубы и т. д. Постоянное подрегулирование подачи насосов необходимо, например, в химическом производстве, где количество перекачиваемой щелочи или кислоты зависит от их плотности. Необходимо оно также на электрических станциях, где подача вентиляторов и дымососов определяется количеством и составом топлива котельного агрегата.
Рис. 2.2.3.7. Графики зависимости мощности на валу двигателя от скорости и угла поворота кривошипа механизмов: а — центробежного типа; б — поршневых одинарного действия; в — поршневых двойного действия
Подачу можно регулировать изменением скорости вращения механизма, или изменением сопротивления магистрали, уменьшая, например, ее сечение. Кроме того, регулировать подачу можно посредством направляющих аппаратов, поворотных лопаток и т. п. Наибольший интерес представляет способ регулирования подачи механизмов с вентиляторным моментом изменением скорости двигателя.
171
Электрооборудование и автоматизация насосных установок
Для автоматизации насосных установок, кроме аппаратуры общего применения (контакторов, магнитных пускателей, переключателей, промежуточных реле), применяются специальные аппараты управления и контроля, например реле контроля уровня, реле контроля заливки центробежных насосов, струйные реле и др.
В качестве реле контроля уровня используются: поплавковое реле, электродные реле уровня (электродные датчики), манометры различных типов, устанавливаемые на трубопроводе, датчики емкостного типа, радиоактивные датчики.
Поплавковые реле уровня применяются обычно для контроля уровня неагрессивных жидкостей. Устройство поплавкового реле уровня показано на рис. 2.2.3.8.
Рис. 2.2.3.8. Устройство поплавкового реле уровня:
а– открытый резервуар; б – закрытый резервуар
Воткрытый резервуар, в котором контролируется уровень жидкости (см. рис. 2.2.3.8,а), погружен поплавок 1, подвешенный на гибком канате через блок 3 и уравновешенный грузом 6. На канате укреплены две шайбы 2 и 5, которые при предельных уровнях жидкости в резервуаре поворачивают
172
коромысло 4 контактного устройства 8. Оно замыкает соответственно контакты 7 и 9, от которых идут провода в цепи управления и сигнализации насосной установки. В закрытом резервуаре (показаны две проекции — см. рис. 2.2.3.8,б) поплавок 7 рычагом связан с осью рычага 10, которая с соответствующим уплотнением пропускается через стенку корпуса в пространство, где располагается контактная часть 11 реле. Провода от контактов выводятся через стенку резервуара.
Для электропроводных жидкостей применяется электродное реле уровня, принцип действия которого показан на рис. 2.2.3.9.
Рис. 2.2.3.9. Схема электродного реле уровня
Реле состоит из металлических электродов 1 и 4, помещенных в корпусе 2. Реле опускается в резервуар 3. Электроды реле включены в цепь катушки промежуточного реле РП (электромагнитное реле). При подъеме уровня жидкости до верхнего электрода 4 образуется проводящий промежуток между электродами 1 и 4. Реле РП срабатывает, становится на самопитание через свой замыкающий контакт, а другими контактами (на рисунке не показаны) производит необходимые переключения в цепях управления и сигнализации насосной установки. При опускании уровня жидкости ниже электрода 1 цепь питания катушки через контакт РП прерывается, реле РП обесточивается и своими контактами опять производит соответствующие переключения в схеме управления и сигнализации установки.
Реле контроля заливки центробежных насосов мембранного типа пока-
зано на рис. 2.2.3.10.
Реле используется при заливке с помощью вакуум-насоса. Устанавливается реле на 0,3...0,5м выше насоса. При заполнении его водой мембрана 3 прогибается, поднимает шток 2 и замыкает контакты 1. После снижения давления мембрана пружиной (на рисунке не показана) возвращается в исход-
ное положение. Достоинства реле мембранного типа — их большая чувствительность и способность выдерживать высокие давления.
173
Рис. 2.2.3.10. Конструкция реле контроля заливки насоса
На рис. 2.2.3.11,а показана схема простейшей насосной установки — дренажного насоса 7, а на рис. 2.2.3.11,б приведена электрическая схема этой установки.
Рис. 2.2.3.11. Конструкция дренажной насосной установки (а) и ее электрическая схема (б)
Ключ управления КУ имеет два положения: для ручного и автоматического управления. Если ключ КУ поставлен в положение «Ручное», то управление электродвигателем М насоса осуществляется по обычной схеме с помощью кнопок КнП и КнС, магнитного пускателя К. При установке ключа КУ в положение «Автоматическое» управление двигателем насоса производится от датчика уровня (поплавкового реле) РУ. При малом уровне воды в дренажном приемнике контакт РУ разомкнут и насос не включен. При достижении водой верхнего уровня 2 контакт РУ замыкается и включает пуска-
174
тель К. Насос начинает работать и откачивать воду. Контакт РУ поплавкового реле остается замкнутым до тех пор, пока уровень воды не снизится до нижней отметки 3. Тогда контакт РУ разомкнется, что вызовет отключение пускателя К и остановку двигателя насоса. Защита электродвигателей от коротких замыканий и перегрузки осуществляется автоматом В с комбинированным расцепителем (максимальным и тепловым). Нулевая защита обеспечивается самим магнитным пускателем. Поплавковое реле уровня РУ работает здесь без понижающего трансформатора и импульс управления с РУ передается в схему непосредственно — без промежуточного реле. Такие простейшие схемы применяются при небольшом расстоянии между насосом и местом забора воды, когда падение напряжения в проводах, соединяющих катушку контактора с поплавковым реле, незначительно.
Рассмотрим схему управления двумя насосами (рис. 2.2.3.12), эксплуатация которых осуществляется без дежурного персонала. Схема обеспечивает автоматический пуск и остановку насосов в зависимости от уровня жидкости в контролируемой емкости (баке, резервуаре), из которой производится откачка или естественный сток жидкости. Для контроля уровня применен электродный датчик (жидкость электропроводна).
Схема разработана применительно к условиям пуска и остановки насосов при постоянно открытых задвижках, что часто имеет место в низконапорных насосных установках. Из двух насосов один является рабочим, второй – резервным. Это задается с помощью переключателя ПО. В положении I переключателя первый насос (с двигателем M1) будет рабочим, а второй (с двигателем М2) – резервным. В положении II переключателя, наоборот, второй насос будет рабочим, а первый – резервным.
Рассмотрим работу схемы, когда переключатель ПО поставлен в положение I, а переключатели управления ПУ1 и ПУ2 поставлены в положение A, т. е. на автоматическое управление насосами. Контакты переключателя ПО в цепях катушек реле управления РУ1 рабочего и РУ2 резервного насосов будут замкнуты, но эти цепи остаются разомкнутыми вследствие отсутствия контактов с жидкостью электродов 2 и 3 датчика уровня ДУ. При повышении уровня жидкости в контролируемой емкости до электрода 2 цепь катушки реле РУ1 замыкается, реле срабатывает и его контакт подает питание в катушку магнитного пускателя К1. Включается электродвигатель Ml первого насоса. По мере откачки уровень жидкости в емкости понижается, но при разрыве контакта электрода 2 электродвигатель не останавливается, так как катушка реле РУ1 продолжает получать питание через свой контакт и пока замкнутый контакт электрода 1.
Если произойдет аварийное отключение рабочего насоса или производительность его недостаточна, уровень жидкости будет повышаться. Когда он достигнет электрода 3 датчика уровня, получит питание катушка реле РУ2. Реле сработает и включит магнитный пускатель К2 электродвигателя М2 резервного насоса. Резервный насос остановится при падении уровня
175
жидкости ниже электрода 1.
Рис. 2.2.3.12. Электрическая схема установки с двумя насосами
При слишком большом притоке жидкости в емкость, из которой производится откачка или сток, производительность обоих насосных агрегатов может оказаться недостаточной и жидкость поднимется до предельно допустимого уровня, на котором установлен электрод 4. При этом замкнется цепь катушки аварийного реле РА, которое сработает и своим контактом включит
176
цепь аварийной сигнализации. Реле контроля наличия напряжения РКП служит для подачи предупредительного сигнала при исчезновении напряжения в цепях управления. Цепи аварийной сигнализации питаются от самостоятельного источника. Белая сигнальная лампа ЛБ сообщает о наличии напряжения в цепях управления при контрольных осмотрах.
Переход на местное кнопочное управление (ручное полуавтоматическое) производится установкой переключателя ПУ1 для первого насоса и ПУ2 для второго насоса в положение Р (ручное управление) и нажатием соответствующих кнопок «Пуск» КиП1, КнС1, КнП2, КнС2, расположенных непосредственно у насосных агрегатов. Переключатели ПУ1 и ПУ2 исключают возможность одновременного автоматического и кнопочного управления.
Приведенная схема составлена применительно к двигателям малой мощности (примерно до 10 кВт), поэтому цепи катушек магнитных пускателей защищаются теми же автоматами, что и двигатели. При двигателях большей мощности для катушек магнитных пускателей предусматривается самостоятельная защита.
2.2.3.2. Определение момента сопротивления и мощности на валу механизма. Электрооборудование компрессоров. Привод компрессорной и вентиляционной установок
Определение момента сопротивления и мощности на валу механиз-
ма
На основании заданных для вентилятора или насоса подачи и суммарного напора, а для компрессора — подачи и удельной работы сжатия, определяется мощность на валу, в соответствии с которой и выбирают мощность приводного двигателя.
Момент на валу центробежного вентилятора определяют из выражения энергии, сообщаемой движущемуся газу в единицу времени.
Известно, что
m = F v ρ ,
где m — масса газа, проходящего за секунду, кг/с; F — сечение газопровода, м2; v — скорость движения газа, м/с; ρ — плотность газа, м3.
Тогда выражение для энергии движущегося газа примет вид
|
W = |
m v2 |
= |
F v3 ρ |
, |
|
|
|
|
2 |
|
||||
|
2 |
|
|
|
|||
откуда мощность на валу приводного двигателя, кВт, |
|
||||||
P = |
|
F v 3 ρ |
10 − 3 , |
(2.2.3.10) |
|||
|
2 η В η П |
||||||
|
|
|
|
|
|||
где ηВ, ηП — КПД соответственно вентилятора и передачи.
В этой формуле можно выделить группу величин, соответствующих по-
177
даче, м3/с, и напору вентилятора, Па:
Q = F v ; H = v22ρ .
Из приведенных выражений видно, что
Q = C1ω ; H = C2ω2 .
Соответственно
P = |
Q H |
Cω3 ; M = |
ρ |
= Cω2 , |
(2.2.3.11) |
||||
η |
В |
η |
П |
ω |
|||||
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
где С, С1, С2 — постоянные величины.
Отмстим, что вследствие наличия статического напора и конструктивных особенностей центробежных вентиляторов показатель степени в правой части выражения (2.2.3.11) может отличаться от 3.
Аналогично определяется мощность на валу центробежного насоса,
кВт, |
ρ1 g Q(HC + ∆H ) |
|
|
|
P = |
10−3 , |
(2.2.3.12) |
||
|
||||
|
ηH ηП |
|
||
где ρ1 — плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3; g — ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2; Q — подача насоса, м3/с; Нс — суммарный напор, м; Нс = НГ + (р2 – р1)/(ρ1 g); НГ — геодезический напор, равный разности высоты нагнетания и всасывания, м; р2 — давление в резервуаре, куда перекачивается жидкость, Па; р1 — давление в резервуаре, откуда перекачивается жидкость, Па; ∆H — потеря напора в магистрали, м, зависит от сечения труб, качества их обработки, кривизны участков трубопровода и т. д. (значения ∆H приводятся в справочной литературе).
С некоторым приближением можно принять, что для центробежных насосов между мощностью на валу и скоростью существуют зависимости P = Cω3 и M = Cω2 . Практически показатели степени у скорости изменяются в пределах 2,5...6 для различных конструкций и условий работы электропривода и определяются наличием напора магистрали. При выборе электропривода насосов, работающих на магистрали с высоким напором, очень важным обстоятельством является то, что они весьма чувствительны к снижению скорости двигателя.
Основной характеристикой насосов, вентиляторов и компрессоров является зависимость развиваемого напора Н от подачи Q. Указанные зависимости представляются обычно в виде графиков HQ для различных скоростей механизма.
В качестве примера приведем характеристики 1...4 центробежного насоса при различных угловых скоростях его рабочего колеса (рис. 2.2.3.13).
Характеристикой магистрали 6 называется зависимость между подачей Q и напором, необходимым для подъема жидкости на высоту преодоления гидравлических сопротивлений и избыточного давления на выходе из нагнетательного трубопровода. Точки пересечения характеристик 1...З с характе-
178
ристикой 6 определяют значения напора и производительности при работе насоса на определенную магистраль при различных скоростях. Построим характеристики HQ центробежного насоса для различных скоростей: 0,8ωН; 0,6ωН; 0,4ωН, если характеристика 1 при ω = ωН задана.
Рис. 2.2.3.13. Графики зависимости напора Н насоса от его подачи Q
Для одного и того же насоса
Q
ω = const ; H
ω2 = const .
Следовательно,
Q1 Q2 =ω1 ω2 ; H1 H 2 = ω12 ω22 .
Построим характеристику насоса для ω1 = 0,8ωН: для точки δ
Qδ = (ω1 |
ω2 )Qa = 0,8QH ; |
||
|
2 |
2 |
|
Hδ = (ω |
ω )Ha = 0,64Ha ; |
||
1 |
|||
|
|
2 |
|
для точки δ`
Qδ′ = 0,8Qa′; Hδ′ = 0,64Ha′ .
Таким образом получены вспомогательные параболы 5, 5'', 5" (см. рис. 2.2.3.13).
Мощность двигателя поршневого компрессора может быть определена на основании индикаторной диаграммы сжатия воздуха или газа (рис. 2.2.3.14). Некоторое количество газа сжимается от начального объема V1, и давления ρ1 до конечного объема V2 и давления ρ2. На сжатие газа затрачивается работа, зависящая от характера процесса сжатия. Этот процесс может осуществляться по адиабатическому закону без отдачи тепла, когда индикаторная диаграмма ограничена кривой 1; по изотермическому закону при по-
179
стоянной температуре (кривая 2), либо по политропе (кривая 3).
Рис. 2.2.3.14. Индикаторная диаграмма сжатия газа
Работа при сжатии газа для политропного процесса, Дж/кг, выражается формулой
|
|
n |
|
|
p |
2 |
(n−1) n |
|
|
||
A |
= |
|
|
p V |
|
|
|
−1 |
, |
||
n −1 |
p |
||||||||||
П |
|
1 1 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где n — показатель политропы, определяемый уравнением pVn = const; р1, р2
— соответственно начальное и конечное значения давления сжатого газа,
Па; V1 — начальный удельный объем газа или объем 1 кг газа при всасывании, м2.
Мощность двигателя компрессора, кВт,
P = |
AПQ |
10−3 , |
(2.2.3.13) |
|
|||
|
ηКηП |
|
|
где Q — подача компрессора, м3/с; ηк – индикаторный КПД компрессора, учитывающий потери мощности в нем при реальном рабочем процессе; ηп
— КПД механической передачи между компрессором и двигателем.
Так как теоретическая индикаторная диаграмма существенно отличается от действительной, а получение последней не всегда возможно, то при определении мощности, кВт, на валу компрессора часто пользуются приближенной формулой, где исходными данными являются работа изотермического и адиабатического сжатий, а также КПД компрессора, значения которых приводятся в справочной литературе:
P = |
Q |
|
AИ + Aa |
10−3 |
, |
(2.2.3.14) |
|
ηКηП |
2 |
||||||
|
|
|
|
||||
где АИ Аa — соответственно изотермическая и адиабатическая работа сжатия 1м3 атмосферного воздуха до давления р2, Дж/м3.
Зависимость между мощностью на валу механизма поршневого типа и скоростью совершенно отлична от соответствующей зависимости для меха-
180
низмов с вентиляторным характером момента на валу. Если механизм поршневого типа (например, насос) работает на магистраль, где поддерживается постоянный напор Н, то очевидно, что поршню при каждом ходе приходится преодолевать постоянное среднее усилие независимо от скорости вращения.
Среднее значение мощности Р = c H Q. Так как Н = const, то Р = c1Q = с2ω. Следовательно, среднее значение момента на валу насоса поршневого
типа при постоянном противодавлении не зависит от скорости: |
|
M = P ω = c2ω ω = const. |
(2.2.3.15) |
На основании формул (2.2.3.10)...(2.2.3.15) определяется мощность на валу соответствующего механизма. Для выбора двигателя в указанные формулы следует подставить номинальные значения подачи и напора. По полученной мощности может быть выбран двигатель для продолжительного режима работы.
Электрооборудование и схемы управления компрессорами
Поршневые компрессоры. Схема цилиндра поршневого компрессора показана на рис. 2.2.3.15.
Рис. 2.2.3.15. Схема цилиндра и индикаторная диаграмма поршневого компрессора
Рассмотрим работу компрессора, предположив, что во всасывающих и нагнетательных клапанах отсутствует сопротивление проходу воздуха, во всасывающих и нагнетательных патрубках давление постоянно, температура газа во время нагнетания и всасывания неизменна и в конце сжатия весь газ, находящийся в цилиндре, выталкивается из него поршнем. Такой компрессор считается идеальным. Рабочий цикл идеального компрессора складыва-
181
ется из следующих элементов.
При движении поршня 2 от крайнего левого положения вправо из патрубка 5 через всасывающий клапан 3 будет происходить впуск воздуха в цилиндр 1. На индикаторной диаграмме pv это изображено линией всасывания ab. После достижения поршнем крайнего правого положения и начала его движения влево будет происходить сжатие воздуха — линия bc. Процесс сжатия прекращается, когда давление в цилиндре достигнет давления в нагнетательном патрубке и начнется выталкивание сжатого газа из цилиндра (нагнетание), изображенное на диаграмме линией cd.
При изменении движения поршня давление в цилиндре мгновенно падает до давления всасывания (линия расширения da), и процесс повторяется.
Процесс сжатия может протекать при отсутствии теплообмена между воздухом и внешней средой — адиабатический процесс (линия bc") или при полном отводе выделяющегося тепла — изотермический процесс (линия bc'). В действительности происходит процесс при изменении температуры и отдаче тепла во внешнюю среду, показанный линией bc.
Теоретическую мощность компрессора при любом процессе можно определить по формуле
PК = |
lV |
, |
(2.2.3.16) |
|
60 102 |
||||
|
|
|
где l — работа при любом процессе, отнесенная к 1м3 газа; V — производительность компрессора в м3/мин.
Мощность электродвигателя на валу, исходя из теоретической мощности компрессора при адиабатическом процессе определяется по формуле
PДВ = |
|
l АД V |
, |
(2.2.3.17) |
|
60 |
102 ηАД |
||||
|
|
|
где ηАД — полный индикаторный адиабатный КПД, обычно лежащий в пре-
делах 0,7 — 0,85;
k — коэффициент запаса мощности электродвигателя, который обычно принимают равным 1,1 — 1,2.
Аналогичным образом определяют мощность на валу компрессора и при других процессах сжатия.
Приводом поршневых компрессоров небольшой мощности служат асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, а для мощных компрессоров применяются синхронные электродвигатели (or 300 кВт и выше).
Турбокомпрессоры
Турбокомпрессоры и турбовоздуходувки относятся к машинам центробежного типа, в которых повышение давления газа основано на принципе использования центробежной силы частиц газа, возникающей при вращении рабочих колес.
Турбокомпрессоры по своей конструкции и по принципу работы сход-
182
ны с центробежными насосами. Поэтому все то, что было сказано о центробежных насосах и их характеристиках, будет справедливо и для турбокомпрессоров.
Мощность центробежного компрессора может быть подсчитана по приведенным формулам для поршневых компрессоров.
В турбокомпрессоре вследствие сжатия нагрев газа становится столь значительным, что необходимо отводить тепло. Охлаждение газа осуществляется при помощи водяных рубашек или промежуточных холодильников, так как в рабочем колесе охлаждение не происходит. Газ охлаждается не в процессе сжатия, а после сжатия, вследствие чего объем уменьшается. Работа турбокомпрессора оценивается общим изотермическим КПД, который для современных машин лежит в пределах ηИЗ = 0,55…0,7.
Мощность, необходимая для приведения центробежного компрессора в действие, складывается из полезной мощности, передаваемой газу рабочим колесом, и мощности, бесполезно расходуемой на преодоление сопротивления его движению на лопатках колеса, на трение дисков колеса о газ, на трение в подшипниках и на сжатие газа, ушедшего через зазоры.
Мощность электродвигателя для привода компрессора можно определить по следующей формуле:
PДВ = k |
γ Q H |
, |
(2.2.3.18) |
|
|||
|
102 ηИЗ |
|
|
где γ — плотность газа в кг/м3; Q — подача в м3/с; Н — напор в м вод. ст.;k
— коэффициент запаса, выбираемый обычно от 1,1 … 1,2.
Электроприводом для турбокомпрессоров и турбовоздуходувок служат, как правило, синхронные электродвигатели.
Турбовоздуходувки и турбокомпрессоры пускаются в ход всегда при закрытой задвижке на всасывающей линии.
До пуска машины в ход обязательно должен быть приведен в действие пусковой маслонасос и система водяного охлаждения. Задвижка на нагнета-
тельной линии должна быть открыта, а если за ней есть давление, то машина должна быть соединена с атмосферой или холостой линией.
Пусковой маслонасос при достижении нормального давления и пуска турбокомпрессора отключается.
Для остановки турбокомпрессора следует закрыть всасывающую задвижку, пустить пусковой насос и отключить главный электропривод. Затем закрыть задвижку на нагнетательной линии, отключить охлаждающую воду и отключить маслонасос после полной остановки машины.
Кроме пускового маслонасоса, турбокомпрессоры снабжаются резервными маслонасосами, электродвигатели которых должны питаться от надежного независимого источника питания.
Схемы управления
На рис. 2.2.3.16 приведена принципиальная схема управления и защиты
183
главным приводным синхронным электродвигателем турбокомпрессора. Отличительной особенностью двигателя является отсутствие пусковой обмотки. Ее роль выполняет массивная бочка ротора. Электродвигатель обладает высоким пусковым моментом и не допускает прямого пуска. Напряжение статора при пуске не должно быть более 0,5 UН. Для ограничения пусковых токов и токов короткого замыкания принят постоянно включенный реактор РБ. Двигатель имеет шесть концов статора, выведенных вниз. На выводах предусмотрена установка трансформаторов тока для дифференциальной защиты, защиты от перегрузки и выпадения из синхронизма, а также для подключения измерительных приборов. Возбудитель посажен на одном валу с двигателем и подключен к ротору через гасительное сопротивление, отключаемое в конце пуска. Охлаждение двигателя осуществляется по автономной замкнутой системе вентиляции с установкой в фундаментной яме воздухоохладителя.
Запуск компрессора осуществляется при закрытых задвижках на всасывающем и нагнетающем воздуховодах. В конце пуска момент сопротивления компрессора составляет примерно 30% номинального, поэтому при подаче возбуждения двигатель легко втягивается в синхронизм. После вхождения электродвигателя в синхронизм постепенным открытием задвижек на всасе и напоре компрессор загружают до номинальной производительности.
На схеме рис. 2.2.3.17 для электродвигателя применены следующие виды защит:
а) дифференциальная токовая защита в двух фазах с действием на отключение (реле 1РТ, 2РТ);
б) совмещенная защита от перегрузки и асинхронного режима работы, выполненная в одной фазе с токовым реле ЗРТ и двумя реле времени 5РВ и 6РВ, действующими на отключение.
Как видно из схемы, в режиме пуска (контактор М не включен) защита работает с. выдержкой времени, равной сумме времен включения 5РВ и 6РВ. Это время больше времени пуска, которое равно 35 — 40 с.
При работающем электродвигателе и срабатывании реле максимального тока ЗРТ включается реле ЗРП, которое включает мгновенно 6РВ. Выдержка времени 6РВ выбирается не более 10 — 12 с (время допустимой перегрузки электродвигателя).
При выпадении электродвигателя из синхронизма в статоре возникает колебание тока. При этом срабатывает реле ЗРТ и включает реле ЗРП. Так как ЗРП имеет некоторую выдержку времени, то контакт ЗРП в цепи 6РВ не размыкается. Таким образом, при выпадении из синхронизма электродвигатель отключится так же, как и при перегрузке, т. е. через 10 — 12 с;
в) защита от однофазных замыканий на землю выполнена на трансформаторе тока нулевой последовательности с подмагничиванием и двумя реле тока 4РТ и 5РТ. Реле 5РТ отключает электродвигатель с выдержкой времени при однофазных коротких замыканиях на землю. Реле 4РТ срабатывает при
184
185
Рис. 2.2.3.16. Схема управления синхронным электродвигателем компрессора
186
Рис. 2.2.3.17. Схема управления синхронным электродвигателем компрессора
первичном токе порядка 50 — 100А и мгновенно отключает электродвигатель при двойных однофазных замыканиях на землю. При однофазных замыканиях на землю реле 4РТ не срабатывает, так как в этом случае первичный ток не превышает 10А. Защита от однофазных замыканий на землю отстраивается по току от емкостного тока электродвигателя и по времени — от бросков тока при внешних коротких замыканиях на землю;
г) защита минимального напряжения с выдержкой времени 0,5с. Защита электродвигателя выполнена на постоянном оперативном токе, но может быть выполнена и на переменном токе. При понижении напряжения в сети на 15% включается форсировка возбуждения синхронного электродвигателя.
Включение электродвигателя в работу возможно только при условии нормального давления в системе смазки и подачи воды для охлаждения компрессора.
Схемы управления маслонасосами, насосами охлаждения и другими вспомогательными механизмами не приводятся, так как эти схемы аналогичны рассмотренным ранее.
Электрические схемы автоматизации компрессорных и вентиляторных установок
Электрооборудование компрессорных установок в зависимости от их технологического назначения может располагаться в машинном или специальном электротехническом помещении. Виды управления компрессорными агрегатами: диспетчерское, автоматическое и местное.
В схемах автоматического управления компрессорами, кроме электроаппаратуры общего применения, используется специальная аппаратура, например, термореле и электроконтактные манометры – датчики давления
(рис. 2.2.3.18).
Рис. 2.2.3.18. Устройство электроконтактного манометра
Так же, как и в обычных манометрах, в нем применена трубчатая одновитковая пружина 3, которая закрыта с одного (подвижного) конца, а другим
187
(неподвижным) концом сообщается со средой – газом или жидкостью, давление которых надо контролировать. Изменение давления внутри трубчатой пружины вызывает ее упругую деформацию. При повышении давления пружина стремится разогнуться, при уменьшении — согнуться. При этом от ее подвижного конца через передаточный механизм приводится в действие контакт 1, укрепленный на стрелке. Если давление превышает значение, на которое настроен электроконтактный манометр, контакт 1 замыкается с правым неподвижным контактом 2. При давлении ниже этого значения контакт 1 замыкается с левым неподвижным контактом 2'. Контактная система манометра допускает включение по напряжению 380В переменного тока и 220В постоянного тока мощность контактов 10В А. Применяются, кроме электроконтактных манометров, поршневые, сильфонные и др. манометры.
В качестве реле времени, обеспечивающего достаточную для автоматизации работы компрессорной установки точность выдержки времени, применяется простой и дешевый электроаппарат – термореле. Это реле в принципе устроено и действует так же, как и обычное биметаллическое реле, используемое для тепловой защиты двигателей: с момента включения нагревательной обмотки реле до момента переключения его контактов проходит некоторое время.
Термореле позволяет получать значительные выдержки времени — от нескольких секунд до нескольких минут.
В технологическую схему компрессорной установки (станции) (рис. 2.2.3.19) входят два компрессора 7, приводимых в движение асинхронными коротко-замкнутыми двигателями 2.
Рис. 2.2.3.19. Технологическая схема компрессорной установки
Компрессоры по трубопроводу 5 подают сжатый воздух в ресиверы 3, 188
откуда по трубопроводу 6 он поступает к потребителям. Обратные клапаны 7 предотвращают работу одного компрессора при разнице в создаваемом компрессорами давлении. Трубопроводы 8 и 9 предназначены для циркуляции охлаждающей воды. Два электроконтактных манометра 4 служат датчиками автоматического управления. Подвижные контакты манометров устанавливаются на определенные верхние и нижние пределы давлений в ресиверах. Верхние пределы для обоих манометров могут быть одинаковыми. При достижении их электродвигатели компрессоров отключаются. Нижние пределы давления манометров устанавливаются различными. При падении давления вначале включается только один компрессор; если же давление будет продолжать падать, то включается второй компрессор.
Электрическая схема автоматического управления компрессорной установкой приведена на рис. 7.10. В главных цепях двигателей Ml и М2 компрессоров установлены автоматы В1 и В2 с комбинированными расцепителями (максимальным и тепловым). Цепи управления питаются через однополюсный автомат ВЗ с максимальным расцепителем.
Управление компрессорами может быть автоматическим и ручным. Выбор способа управления производится с помощью ключей управления КУ1 и КУ2, контакты которых находятся в цепях катушек магнитных пускателей К1 и К2.
При ручном управлении включение и отключение магнитных пускателей производится непосредственно ключами КУ1 и КУ2. При автоматическом управлении пускатели включаются с помощью промежуточных реле: РП1 — для первого компрессора и РП2 — для второго. Очередность включения компрессоров при падении давления устанавливается посредством переключателя режимов ПР. При автоматическом управлении переключатель ПP устанавливается в положение Ml, т. е. первый компрессор включается первым.
Предположим, что ресиверы наполнены сжатым воздухом, давление соответствует верхнему пределу и оба компрессора не работают. В результате потребления воздуха давление в ресиверах будет падать. Когда оно достигнет минимального значения, установленного для пуска одного первого компрессора, контакт манометра МН1 замкнется (Н — нижний предел). Сработает реле РП1, которое своим контактом включит магнитный пускатель К1 первого компрессора. В результате работы компрессора давление в ресиверах будет повышаться и контакт MH1 разомкнется. Но это не приведет к отключению первого компрессора, так как катушка реле РП1 продолжает получать питание через замкнутые контакты РП4 и РП1. При повышении давления в ресиверах до максимального предела замкнется контакт манометра МВ1 (В — верхний предел). Реле РП4 сработает и своим контактом отключит реле PП1, что приведет к остановке первого компрессора.
В случае недостаточной производительности первого компрессора или его неисправности давление в ресиверах будет продолжать падать. Если оно
189
достигнет предела, установленного для замыкания контакта МН2 второго манометра (а этот предел устанавливается несколько ниже минимального предела давления для первого манометра), то сработает реле РПЗ. В результате включается реле РП2 и магнитный пускатель К2, т. е. вступит в работу второй компрессор. Реле РП2 остается включенным. Когда давление в ресиверах поднимется до верхнего предела, замкнется контакт манометра МВ2 и включит реле РП4. Его замыкающий контакт отключит реле РП2, и второй компрессор остановится. В схеме предусмотрен контроль исправности компрессорной установки. Если несмотря на работу обоих компрессоров давление в ресиверах продолжает падать или не меняется, контакт МН2 нижнего предела давления замкнут и питание реле РПЗ сохраняется.
Рис. 2.2.3.20. Электрическая схема компрессорной установки
Это реле еще при включении своим контактом привело в действие реле времени РВ, которое с некоторой выдержкой времени замкнет свой контакт в цепи аварийно-предупредительной сигнализации, дежурному персоналу будет подан сигнал о необходимости устранить неисправность. Сигнальная лампа ЛЖ служит для сигнализации при ручном управлении. Она загорается при падении давления в ресиверах, получая питание через контакт реле РПЗ.
190
Сигнальная лампа ЛБ и реле напряжения РКН служат для контроля наличия напряжения в цепях управления. Реле РКН своим контактом включает ава- рийно-предупредительный сигнал при недопустимом падении или исчезновении напряжения.
На рис. 2.2.3.21 представлена упрощенная схема автоматического управления синхронным двигателем воздушного поршневого компрессора (6кВ, 625кВт), входящего в компрессионную станцию, на которой установлено пять компрессоров.
Рис. 2.2.3.21. Схема управления синхронным двигателем компрессора
Схема обеспечивает включение и отключение двигателя в зависимости от суточного графика потребления воздуха и давления в воздушной магистрали. В схеме предусмотрено как ручное, так и автоматическое управление. Тот или иной режим осуществляется при установке универсальных переключателей: ПА, КУ, КР — в соответствующее положение (3 — «запрет», Р
— «разрешено», О — «откл.», В — «вкл.»).
Пуск синхронного двигателя — прямой, по схеме с наглухо подключенным возбудителем В, который приводится во вращение асинхронным корот-
191
козамкнутым двигателем Ml.
Статор двигателя М включается в сеть напряжением 6кВ масляным выключателем ВМ с помощью включающей катушки ВМВ в приводе выключателя. Отключение выключателя ВМ осуществляется посредством отключающей катушки ВМО. Двигатель Ml пускается одновременно с двигателем М. В схеме предусмотрена автоматическая форсировка возбуждения синхронного двигателя при снижении напряжения питания сети. Эту функцию выполняет реле форсировки РФ, воздействующее на контактор КФ (катушка реле РФ на схеме не показана).
Пуск двигателя М производится при открытой пусковой и рабочей воздушных задвижках компрессора. Поэтому масляный выключатель ВМ может быть включен, если эти задвижки открыты, т.е. если замкнуты контакты реле РПП1 и конечного выключателя ВКР. По окончании пуска двигателя задвижки закрываются и компрессор подключается к воздухосборнику (ресиверу). Возможность пуска двигателя ставится также в зависимость от исправности масляных магистралей компрессора, в которых должна быть обеспечена определенная величина давления масла, контролируемая реле РДМ1, РДМ2 и промежуточным реле РПДМ. При нормальном давлении размыкающий контакт РПДМ в цепи катушки промежуточного реле защиты РПЗ разомкнут. В цепь катушки реле РПЗ введены контакты различных реле и датчиков, контролирующих нормальную работу двигателя (РТ1 — токовое реле, РКП — реле контроля пуска, действующее совместно с реле времени РВК РП — промежуточное реле нулевой защиты), а также работу компрессора (PПT— тепловая защита; РСМ1, РСМ2 — струйные реле контроля масла; PCВ — струйное реле; РЕВ — реле времени; РУ1 и РУ2— реле контроля масла в насосах смазки). Вместе с контактами этих реле и датчиков включены катушки сигнальных реле PC (PC1...РС6). Реле РПЗ замыкает свой контакт в цепи, отключающей катушки ВМО, и двигатель отключается в тех случаях, когда создается цепь питания катушки РПЗ через контакты соответствующих защитных реле.
Включение двигателей М и Ml может производиться автоматически с диспетчерского пункта от часового механизма, контакт которого РЧ включен
всхему управления. Один часовой механизм может последовательно вводить в работу компрессоры в соответствии с графиком суточного потребления сжатого воздуха предприятием. При снижении давления в воздушной магистрали реле РПДВ замкнет свой контакт в цепи катушки реле РПВ1 и разомкнет контакт в цепи катушки промежуточного реле отключения РПО. Таким образом, когда все блокировочные и защитные цепи будут находиться
всостоянии, при котором возможно включение катушки ВМВ в приводе масляного выключателя, то при подаче команды от часового механизма (при замыкании контакта Р4) сработает промежуточное реле РПЧ, встанет на самопитание и замкнет свои контакты в цепях катушек реле РПВ1 и РАО. Поэтому сработает реле РПВ1. Своим контактом включит реле автоматическо-
192
го включения РАВ, которое замыкающим контактом подает питание во включающую катушку ВМВ в приводе выключателя. После включения реле РПВ1 реле РПЧ потеряет питание. Последующее замыкание контакта Р4 часового механизма вызовет срабатывание реле автоматического отключения РАО, однако включение реле РПО может произойти только после того, как давление в магистрали станет выше допустимого и, кроме контакта РАО, замкнется еще контакт РПДВ.
Схема управления асинхронным короткозамкнутым двигателем М вентилятора, расположенного в машинном зале и предназначенного для независимой вентиляции крупных электрических машин, показана на рис. 2.2.3.22.
Рис. 2.2.3.22. Схема управления двигателем вентилятора
Управление вентилятором осуществляется со щита с помощью ключа управления К1, имеющего четыре контакта и рукоятку с самовозвратом. Ключ К2 служит для разрешения или запрещения включения вентилятора на месте установки, когда нет надобности в его работе.
Схема работает следующим образом. Ключ К2 устанавливается в положение Р («разрешено»). Включается автомат В2 цепей управления и автомат В1 главных цепей (его контакт в цепи самоблокировки пускателя К замыкается). Загорается зеленая лампа ЛЗ (двигатель отключен). Для пуска двигателя М ключ К1 переводится из нулевого положения 0 в пусковое П. При этом включается магнитный пускатель К, ставится на самопитание и главными контактами включает двигатели в сеть. Зеленая лампа ЛЗ гаснет, красная лампа ЛК загорается (двигатель включен). Рукоятка ключа К1 отпуска-
193
ется, и ключ возвращается в нулевое положение, на котором контакт 2 ключа замыкается, а контакт 7 остается замкнутым.
В схеме предусмотрено опробование вентилятора на месте его установки с помощью кнопки КнО. Предусмотрена также блокировка (с помощью замыкающего блок-контакта К), не позволяющая включать вентилируемую машину до пуска вентилятора. Защита при коротких замыканиях или перегрузке двигателя М осуществляется автоматом В1 с комбинированным расцепителем. А нулевая защита — пускателем К (новый пуск двигателя не возможен, пока рукоятка ключа А7 не будет поставлена в пусковое положение П). При отключении вентилятора в результате действия защиты включается предупредительный сигнал, так как контакты 3 и 4 ключа К1 при этом замкнуты.
При ручном отключении вентилятора путем перевода, а затем отпускании рукоятки ключа К1 в положение С предупредительный сигнал не подается, поскольку разомкнут контакт 4.
2.2.3.3. Электропривод механизмов центробежного и поршневого типа, работающих с постоянной скоростью. Привод механизмов с вентиляторным моментом
Рассмотрим основные свойства механизмов для подачи жидкостей и газов, которые определяют требования к электроприводу. Для этих механизмов характерен продолжительный режим работы со спокойной нагрузкой. Механизмы центробежного и поршневого типов в силу особенностей их конструкции и условий технологического процесса не требуют реверсирования. Их скорость соответствует скорости двигателя, поэтому электропривод этих установок выполняется безредукторным и поставляется обычно в комплекте с механизмом. Мощность таких механизмов колеблется от сотен ватт до нескольких десятков мегаватт.
Отличительной особенностью рассматриваемой группы механизмов являются облегченные условия их пуска. Эти механизмы пускают, как правило, вхолостую и момент трогания не превышает 30...35 % номинального момента. Для установок вентиляторного типа, которые пускают под нагрузкой, момент сопротивления плавно возрастает с увеличением скорости, что благоприятно согласуется с формой механической характеристики асинхронного двигателя. В большинстве случаев для привода механизмов центробежного и поршневого типов используют нерегулируемые асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Но в установках с сетью относительно малой мощности прямой пуск двигателей с короткозамкнутым ротором вызывает значительное снижение напряжения. И если возникают затруднения в отношении прямого пуска, то обычно применяют ограничивающие индуктивные и активные сопротивления в цепи статора.
Когда нельзя осуществить прямой пуск асинхронного двигателя с ко-
194
роткозамкнутым ротором и неприемлем пуск с ограничивающим сопротивлением, используют асинхронные двигатели с фазным ротором, которые обеспечивают плавный пуск механизма при ограниченных толчках тока в сети.
Для электропривода насосов, вентиляторов и компрессоров использу-
ются синхронные двигатели. Основным достоинством синхронного двигателя является возможность получения оптимального режима по реактивной энергии, который осуществляется автоматическим регулированием тока возбуждения. Синхронный двигатель может работать, не потребляя и не отдавая реактивной энергии в сеть при коэффициенте мощности, равном единице. Если для промышленного предприятия необходима выработка реактивной энергии, то синхронный двигатель, работая с перевозбуждением, может отдавать ее в сеть.
Поясним работу синхронного двигателя в качестве генератора реактивной энергии. Если пренебречь падением активного напряжения в обмотке статора двигателя, обусловленным активным и индуктивным сопротивлениями, то ЭДС, возникающая в обмотке статора при работе двигателя без нагрузки, равна напряжению сети. Она определяется результирующим магнитным потоком в воздушном зазоре. Поскольку напряжение сети постоянно, то ЭДС и, следовательно, вызвавший ее результирующий магнитный поток остаются постоянными независимо от тока возбуждения.
В случае, когда ток возбуждения отсутствует, весь поток создается только током статора. Двигатель при этом потребляет реактивный ток, отстающий от напряжения сети на угол 90° так же, как и асинхронный двигатель, работающий без нагрузки. Если машину возбудить, то часть результирующего потока будет создана током возбуждения ротора и намагничивающий ток статора уменьшится. Дальнейшее увеличение тока возбуждения приведет к тому, то ток обмотки статора будет размагничивающим. В противном случае поток в машине окажется больше результирующего, соответствующего заданной ЭДС. Таким образом, при перевозбуждении синхронный двигатель потребляет размагничивающий ток, опережающий по фазе напряжение на угол 90°, т. е. машина работает генератором реактивной энергии и может использоваться для повышения коэффициента мощности промышленного предприятия. Когда перевозбужденный синхронный двигатель работает без нагрузки на валу, он является синхронным компенсатором и отдает реактивную энергию в сеть.
Синхронные двигатели менее чувствительны к колебаниям напряжения сети, чем асинхронные
Их максимальный момент пропорционален напряжению сети, в то время как критический момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату этого напряжения. Кроме того, перегрузочная способность синхронного двигателя может быть автоматически увеличена за счет повышения тока возбуждения, например при резком кратковременном повышении нагрузки
195
на валу двигателя.
Существенным для электропривода является и то обстоятельство, что скорость синхронного двигателя остается неизменной при любой нагрузке на валу в пределах его перегрузочной способности.
Для крупных вентиляторных установок применение синхронных двигателей, даже при исключении регулирования скорости, оказывается не всегда возможным. Поскольку рассматриваемые механизмы обладают весьма значительным моментом инерции, то при пуске синхронных двигателей существующих серий в пусковой обмотке выделяются потери мощности, превышающие допустимые.
Одно из простых решений вопроса привода мощных вентиляторов с большим моментом инерции представляется схемой двухдвигательного электропривода (рис. 2.2.3.23). Синхронный двигатель является главной приводной машиной агрегата и рассчитывается на полную мощность и скорость вентилятора. Асинхронный двигатель с фазным ротором АД служит для плавного пуска агрегата до половинной скорости, после чего статор АД отключается от сети. Мощность асинхронного двигателя может быть выбрана равной 15...20% номинальной мощности вентилятора, но по механической прочности АД должен быть рассчитан на номинальную скорость СД.
Вследствие наличия АД синхронный двигатель может включаться в сеть при половине номинальной скорости, за счет чего потери в его пусковой клетке снижаются примерно в четыре раза по сравнению с потерями при прямом пуске.
Рис. 2.2.3.23. Схема синхронно-асинхронного двухдвигательного электропривода
Асинхронный двигатель позволяет также осуществить режим работы вентилятора при скорости 0,5ωН и малой нагрузке на валу. При этом СД может быть отключен.
Для механизмов поршневого типа применение синхронных двигателей определяется тем обстоятельством, что для них выпускается специальная серия тихоходных синхронных машин с повышенным маховым моментом. Применение этих двигателей позволяет без дополнительного маховика вы-
196
ровнять график нагрузки, равномерность которой зависит от угла поворота кривошипа и конструктивного исполнения механизма.
Вмощных промышленных установках, например на насосных станциях, могут быть использованы как асинхронные, так и синхронные двигатели. Несмотря на то, что последние способствуют улучшению энергетических показателей предприятия, они не всегда применяются, так как менее удобны
сточки зрения автоматизации работы всей установки и сложнее в эксплуатации.
Основные показатели по выбору двигателей механизмов с вентиляторным моментом на валу и установок поршневого типа при постоянной скорости приведены в табл. 2.2.3.1. Окончательный вариант выбирается на основании технико–экономического сравнения нескольких вариантов.
При анализе работы электроприводов с синхронными двигателями очень важным показателем является характер протекания переходных процессов при пуске, вхождении в синхронизм, изменении нагрузки и других режимах. Эти вопросы также должны быть рассмотрены при проектировании электропривода.
Регулируемый электропривод механизмов с вентиляторным моментом
Вустановках, требующих плавного и автоматического регулирования подачи, электропривод выполняется регулируемым.
Характеристики механизмов центробежного типа создают благоприятные условия работы регулируемого электропривода как в отношении статических нагрузок, так и требуемого диапазона регулирования скорости.
Таблица 2.2.3.1
Показатели по выбору двигателей с вентиляторным моментом
Показатели |
Двигатели |
||
асинхронные |
синхронные |
||
|
|||
Мощность |
Установки малой и средней |
Установки средней и большой |
|
установки |
мощности |
мощности Р > 50... 100 кВт |
|
Некоторые |
Простота эксплуатации, |
Более сложная эксплуатация, |
|
эксплуата- |
|||
ционные |
удобство автоматизации |
чем асинхронных двигателей, |
|
установок |
Худшие условия автоматизации |
||
показатели |
|||
|
|
||
|
Близкие по |
значению КПД |
|
|
Коэффициент мощности |
В нормальных условиях экс- |
|
Энергети- |
при полной загрузке двига- |
||
ческие по- |
телей 0,7 ... 0,9 с потребле- |
плуатации коэффициент |
|
мощности 1,0...0,8 при отдаче |
|||
казатели |
нием реактивной мощно- |
||
|
сти из сети |
реактивной энергии в сеть |
|
|
|
||
|
197 |
|
|
Действительно, как это уже раньше было показано, при уменьшении скорости, снижается и момент сопротивления на валу двигателя. Это облегчает тепловой режим двигателя при работе на пониженной скорости. Из законов пропорциональности вытекает, что требуемый диапазон регулирования скорости при условии отсутствия статического напора Hст = 0 не превышает заданный диапазон изменения подачи:
D = ωНОМ ωmin = QНОМ Qmin . |
(2.2.3.19) |
Если Hст = const ≠ 0, то для изменения подачи от нуля до номинального значения QНОМ необходим диапазон регулирования скорости
D = ωНОМ ωmin = 
H0 H СТ ,
где Н0 — напор, развиваемый механизмом при Q = 0 и ω = ωном.
При высоком уровне статического напора, например соответствующем 80 %, снижение скорости лишь на 10 % уже обеспечивает уменьшение подачи практически до нуля. В среднем для регулируемых механизмов центробежного типа требуемый диапазон регулирования скорости обычно не превосходит 2:1. Отмеченные особенности данных механизмов и невысокие требования в отношении жесткости механических характеристик позволяют успешно применять для них простые схемы регулируемого асинхронного электропривода.
Для установок сравнительно небольшой мощности (7...10кВт) задача решается с помощью системы регулятор напряжения — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. В качестве регуляторов напряжения чаще всего используются тиристорные коммутаторы. Такие системы нашли применение в комплексах вентиляторного оборудования, предназначенных для обеспечения требуемого воздухообмена и создания необходимых температурных условий в животноводческих и птицеводческих помещениях в соответствии с зооветеринарными нормами.
Поддержание необходимого воздухообмена и требуемой температуры в помещении достигается посредством автоматического плавного регулирования частоты вращения вытяжных вентиляторов в зависимости от изменения температуры воздуха вентилируемого помещения от заданного уровня.
При отклонении температуры воздуха от заданной по сигналу датчика температуры на выходе устройства управления изменяется напряжение, чем достигается регулирование скорости вращения электродвигателей вентиляторов.
Достаточно просто можно реализовать импульсный способ регулирования скорости асинхронного двигателя. На рис. 2.2.3.24 приведена принципиальная схема включения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с импульсным изменением активного сопротивления его статорной цепи. Напомним основной принцип такого регулирования.
Тиристорный ключ ТК, замыкаясь на время t3 и размыкаясь на время t0, изменяет среднее за цикл коммутации Тк = tз + t0, значение дополнительного
198
сопротивления Rд.ср. Сопротивление Rд.ср пропорционально скважности ши- ротно-импульсной модуляции γ = tз/TK:
RД.СР = RД γ .
Регулируя скважность γ, можно получить семейство механических характеристик электропривода, изображенных штриховыми линиями на рис.
7.5,б, причем Rд.ср = Rд при γ = 0 и Rд.ср = 0 при γ = 1. Параметр γ зависит от управляющего напряжения Uу на входе системы управления тиристорным
ключом СУ. Так как критическое скольжение двигателя уменьшается при увеличении Rд.ср, то диапазон скоростей устойчивой работы привода даже при «вентиляторной» характеристике механизма оказывается весьма незначительным. Введение отрицательной обратной связи по скорости обеспечивает жесткие механические характеристики и устойчивую работу замкнутой системы электропривода в требуемом для механизма диапазоне скоростей. Механические характеристики электропривода с обратной связью по скорости показаны на рис. 2.2.3.24,б сплошными линиями для трех значений задающего напряжения U3. Сигнал обратной связи подается в систему управления с управляющей обмотки ОУ тахогенератора постоянного тока.
Рис. 2.2.3.24. Схема (а) и механические характеристики (б) системы импульсного регулирования сопротивления в статорной цепи
199
Общим недостатком рассмотренных вариантов регулируемого электропривода является выделение потерь скольжения при снижении скорости в самом двигателе. Эти потери и требуют соответствующего завышения установленной мощности двигателя.
Вустановках, где по условиям эксплуатации допустимо применение асинхронного двигателя с фазным ротором, возможности регулируемого электропривода расширяются. Введение дополнительного сопротивления в цепь ротора позволяет вывести часть потерь скольжения из обмоток двигателя. Благодаря этому снижается необходимое завышение габаритных размеров двигателя и появляется возможность расширить диапазон мощностей привода при рассмотренных выше способах регулирования скорости. Например, импульсный способ регулирования окажется более целесообразным применительно к коммутации дополнительного сопротивления в роторной цепи. Отметим только, что механические характеристики привода обеспечивают устойчивую работу в достаточно большом диапазоне скоростей при разомкнутой системе электропривода. По своим характеристикам данный способ аналогичен реостатному. Его достоинство по сравнению с реостатным способом — возможность плавного регулирования сопротивления.
Вряде случаев применяется регулирование скорости механизмов с приводом их асинхронными или синхронными двигателями.
При этом между двигателями и производственным механизмом устанавливается гидромуфта или асинхронная муфта скольжения, позволяющая изменять скорость производственного механизма, не изменяя скорости двигателя.
Существуют несколько видов гидравлических муфт, являющихся связующим звеном между электрическим двигателем и исполнительным механизмом. Один из вариантов приведен на рис. 2.2.3.25.
Гидромуфта состоит из двух половин: ведущей 1 и ведомой 2, соединенных соответственно с валами двигателя и исполнительного механизма. Полости ведущей и ведомой полумуфт заполняются рабочей жидкостью (маслом или водой), уровень которой может меняться с помощью вспомогательного серводвигателя с насосом. При вращении ведущей полумуфты 1 в
еерабочих полостях начинается движение жидкости к внешнему диаметру. Жидкость, сходя с ведущей полумуфты, попадает на ведомую и сообщает ей определенную скорость. Полумуфта 1 выполняет в гидравлической муфте роль центробежного насоса, а полумуфта 2 –гидравлической турбины.
Скорость исполнительного механизма, связанного с двигателем посредством гидромуфты, регулируется изменением количества рабочей жидкости, находящейся в полостях муфты. На рис. 2.2.3.26 приведены примерные характеристики гидромуфты при постоянной скорости двигателя и разным заполнением рабочих полостей. Верхняя характеристика соответствует полному заполнению муфты.
Коэффициент полезного действия гидромуфты определяется скоростя-
200
ми ведущего и ведомого валов, а также характером зависимости статического момента производственного механизма от скорости.
Энергетический баланс в муфте определяется следующим выражением:
∆P = M1ω1 −M 2ω2 .
Так как M1 = M 2 , то
∆P = M1(ω1 −ω2 )= M1ω1SМ = P1SМ ,
где Р1 — мощность, передаваемая ведущим валом муфты; SM — скольжение муфты.
Рис. 2.2.3.25. Конструкция |
Рис. 2.2.3.26. Механические характери- |
гидравлической муфты |
стики гидравлической муфты |
Как следует из последней формулы, потери в гидромуфте при регулировании скорости соответствуют выражению для потерь в роторной цепи асинхронного двигателя. Потери при регулировании скорости выделяются во вращающихся частях муфты и рабочей жидкости. В области скоростей ведомой полумуфты, близких к номинальной, КПД гидромуфты составляет 0,95...0,98. Результирующий КПД установки с двигателем и гидромуфтой определяется произведением их КПД.
Таким образом, во всех рассмотренных вариантах имеют место значительные потери скольжения, которые бесполезно рассеиваются в виде тепла в обмотках двигателя, в регулировочных сопротивлениях либо в муфте скольжения, и КПД электропривода оказывается низким.
Поэтому для электроприводов рассматриваемых механизмов мощностью в сотни и тысячи киловатт находят применение каскадные варианты регулирования скорости, в которых потери скольжения возвращаются в сеть или на вал двигателя. Схема асинхронно-вентильного каскада с возвратом потерь скольжения в сеть нашла применение для электропривода газодувок.
201
Наибольший диапазон регулирования скорости в каскадных схемах не превышает 2:1.
При больших диапазонах регулирования (D > 2) и высоких требованиях
кжесткости механических характеристик электропривода перспективна система тиристорный преобразователь частоты — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (ТПЧ—АД). Отсутствие необходимости в электрическом торможении и реверсе привода механизмов центробежного типа упрощает структуру ТПЧ и позволяет выполнить его на базе автономного инвертора напряжения и управляемого выпрямителя. Жесткость механических характеристик привода в такой системе в диапазоне регулирования 2...3 и при законе управления U/f = const обеспечивает достаточную стабильность регулируемой скорости. В связи с этим в системе электропривода не требуются какие-либо обратные связи, что упрощает ее структуру. Напомним, что
кдостоинствам системы ТПЧ-АД следует отнести отсутствие дополнительных потерь при регулировании скорости.
Внастоящее время для управления системой насосов фирмой СИМЕНС [24] разработаны системы от простых – на основе интеллектуальных реле LOGO! до сложных систем на основе процессоров семейства SIMATIC S7300,400.
202