Басниев К.С. Энциклопедия газовой промышленности

Подождите немного. Документ загружается.

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

L 4.

Сопротивление

или реакти

conpoi

Пускатель в цепи статора при пониженной напряжении.

1.6.6.2.2.

Снижение напряжения

реактивным сопротивлением

Такой способ запуска понижает скачок тока в

сети,

но может применяться только, если приводя-

щиеся в действие машины пускаются вхолостую и

имеют достаточно

малый

момент сопротивления

при

запуске: компрессоры, центробежные насосы,

преобразовательный агрегат и т.д.

В самом деле, крутящий момент асинхронного

двигателя зависит от квадрата напряжения пита-

ния,

тогда как потребляемый ток зависит от напря-

жения линейно:

пусковой

крутящий момент при пониженном

напряжении,

С„ - то же при полном напряжении,

- пусковое напряжение,

- номинальное рабочее напряжение,

- пусковой ток при пониженном напряжении,

- то же при полном напряжении.

Кривые на следующем рисунке иллюстрируют

изменение отношений рИ-'в зависимости от от-

ношения Ud/Un.

По

ходу

запуска напряжение на зажимах двига-

теля

постепенно возрастает, в связи с чем пуск

оказывается плавным.

•1

0.9-

0,8-

0,7-

0,6-

0,5-

0,4-

0,3-

0,2-

0,1-

и„

у'

0,1 о!г о',з о'д о',5 о!б о',7 о!в о',э i К с;

Кривые пуска при снижении напряжения

реактивными

сопротивлениями.

1.6.6.2.3.

Снижение напряжения автотранс-

форматором

Этот способ запуска иногда позволяет согласо-

вать

снижение скачка тока в цепи и

величину

кру-

тящего момента двигателя. В самом деле, пред-

ставляется

весьма выгодным уменьшить отноше-

ние напряжений и за счет этого в квадрате

понизить скачок тока:

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

и.

Си

1 ,

0,1 о!г о,з од о',5 о,б о',7 о!в о!э 1 К с;

г/с:

Кривая пуска при снижении напряжения

автотрансфор

матором.

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

при

этом:

пусковой

ток со

стороны сети

при

понижен-

ном напряжении.

Эти соотношения позволяют определить вели-

чину понижения напряжения

зависимости

от от-

ношения:

допустимого

для

сети,

или от

отношения:

допустимого

для

приводящейся

движение

ма-

шины.

Кривая

на

стр.

показывает изменение

lVU

зависимости

от

\'„ /1<,и

С;,/С*

Принцип

действия

принципиальная схема (см.

следующий рисунок):

замыкатель цепи,

замыкатель накоротко,

замыкатель

нейтральными точками высоко-

го

напряжения,

автотрансформатор.

Первая

стадия:

Работа

при пониженном напряжении

за

счет

за-

крытия

PN,

вызывающего закрытие

Вторая стадия:

Работа

качестве индуктивности за счет откры-

тия

PN.

Третья

стадия:

Работа

при

полном напряжении

за

счет закры-

тия

С.

Замечание:

Можно заменить автотрансформатор жидкост-

ным реостатом, который автоматически

посте-

пенно воспроизводит функции звезды статора

пу-

тем регулировки уровня электролита

пусковой

ванне.

1.6.6.3.

Пуск

цепи статора

конденсатором

Этот способ сохраняет характеристики запуска

двигателя при полном напряжении.

Он

применяет-

ся специально

для

синхронных двигателей,

у ко-

торых необходимо оставить неизменным пусковой

крутящий момент, например,

цементировочных

агрегатах или установках-дробилках.

Во время

фазы

запуска конденсаторы предо-

ставляют часть реактивной энергии. Мощность

двигателя

связи

этим невелика. Скачок мощно-

сти

цепи тока уменьшается тем более.

Реализация этого способа

является

очень

тон-

ким

делом.

Она

требует изучения системы двига-

тель-конденсатор

целью

предупредить резо-

нансные

явления

перегрузки, вызванные само-

возбуждением двигателя

механическими

колебаниями системы передач.

С другой стороны, устройства управления долж-

ны

быть

выбраны специально под конденсаторную

коммутацию.

Индакти

Кажущаяся

мощность

двигателя при запуске

МОЩНОСТЬ

ОТ

Мощность

от

сел*

Активная иснцность

Пуск

автотрансформатором.

Замечания:

Один вариант использования этого решения

был

применен

для

запуска нескольких синхронных дви-

гателей. Перевозбуждение двигателя

работе

снижает скачок тока при пуске. Пример дается

на

следующем рисунке.

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

112ВАлри

пуск* 1-го

1183

А при пуст 2-го

двигателя

1322

А при пуска 3-го

двигателя

1522

А при пуске 4-го

332

А -^^еов.«О.М Аг

1-й двигатель з32А^

13г8де

силе,

токв 4-х двигателей

Сипа

тока

при запуска 4-х

синхронных

двигателей.

1.6.6.4.

Пускатель в цепи статора

переключением

со

звезды на треугольник

(Для двигателей низкого напряжения и малой

мощности).

Запуск:

включение L и X.

После паузы одновременно открытие X и вклю-

чение Л.

Напряжение на зажимах обмотки двигателя сни-

жается в отношении:

=0.58

Крутящий момент и сила тока снижается в

Зраза.

Применение подобного способа требует соблю-

дения некоторых мер предосторожности:

— При переходе со звезды на треугольник возни-

кают временные перенапряжения. Это явле-

ние,

связанное с разрывом индуктивной цепи,

которую представляет собой двигатель, наблю-

дается, когда переключение осуществляется

вдали

от номинальной скорости (пример - вен-

тилятор).

Если

переключение производится

вблизи номинальной скорости (пример - ком-

прессор),

то контр-ЭДС двигателя оказывается

таковой,

что перенапряжения не вызывают

опасений;

— Замедление машины при переходе со звезды

на треугольник.В течение одного короткого

мгновения между выключением замыкателя

звезды и включением замыкателя треугольни-

ка

двигатель оказывается без напряжения.Как

следствие, машина замедляет ход.

Расчетами можно показать, что это замедление

не очень существенно, так как оно вызывает рез-

кое

возрастание пика силы тока.

1.6.6.5.

Изменение

крутящего

момента

силы

тока

при статорном запуске

На следующем рисунке кривые иллюстрируют в

качестве примера изменение крутящего момента и

силы тока для

случая

снижения напряжения до 0,6

от номинального.

Для того,

чтобы

запуск оказался возможным,

необходимо,

чтобы

момент сопротивления был не

слишком велик.

С/С,

11/1.

Точка равновесия

при пониженном

-напряжении

. Точка

силы

тока

• момент

переключения

при полном

напряжении

0.1 02 03 0.4 03

-N/Ns

а:

крчеал С{№ при полном папрлжоти

о: кривая C(N) при сниженном напряжении

(0.6UJ

с: кривая HN) при полном

мирянине»!

кривая Щ при сниженном напряжении

(0.6UJ

. )прис

е:

кривая C^N)

1.6.6.6.

Пускатели в цепи ротора

1.6.6.6.1.

Преимущества роторного пуска

Подобный тип запуска позволяет разрешить

практически все проблемы, которые могут возник-

нуть

при пуске, а именно:

— снижение толчка тока в сети с увеличением кру-

тящего момента двигателя,

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

— согласование крутящего момента двигателя

моментом сопротивления,

— продолжительный

постепенный запуск.

Роторный пуск может использоваться только

для асинхронных двигателей

фазным ротором,

либо

для

синхронизированных двигателей.

Применение этого способа

особенности огра-

ничено

для

пуска под нагрузкой.

1.6.6.6.2.

Принципиальная схема

функционирования

Рассмотрим пример симметричного запуска

с л

стадиями.

Первая

стадия:

Питание

от

статора

пуск

на

суммарное сопро-

тивление ротора закрытием

Вторая стадия:

Замыкание накоротко первой секции роторного

сопротивления закрытием С1.

Третья

стадия:

Замыкание накоротко второй секции роторного

сопротивления закрытием

С2.

N-я

стадия:

Замыкание накоротко л-ой секции роторного со-

противления закрытием

С„ _,.

Количество стадий

ступеней переключения

всегда большей 1 согласно числу секций или замы-

кателей.

Число

определяется приближенно

по

формуле:

о-

пиковый крутящий момент.

д„-

скольжение

Либо иначе:

В разных

случаях

либо

известно, тогда выво-

дится

л,

либо наоборот.

Для полного определения оборудования ротор-

ного

пуска необходимо знать режим эксплуатации,

а именно: частоту запусков

во

времени

продол-

жительность одного пуска.

Отсутствие регламентации

для

двигателей при-

водит

тому,

что

необходимое оборудование опре-

деляется специалистами

каждом

случае

индиви-

дуально.

1.6.6.6.3.

Изменение крутящего момента

силы

тока

при

роторном запуске

Характеристики запуска иллюстрируются

дву-

мя следующими рисунками.

На каждой ступени крутящий момент двигателя

изменяется

пределах

двух

значений. Нижнее

принимается равным номинальному крутящему мо-

менту. Сопротивление ротора

на

каждой ступени

меняется, вследствие чего изменяется характери-

стика

«крутящий момент-сила тока».

На

послед-

ней стадии роторное сопротивление понижается

до внутреннего сопротивления ротора

Замечание:

Иногда необходимо реализовать линейный

или

непрерывный пуск. Включение

цепь ротора паро-

жидкостного

реостата обеспечивает нарастание

скорости

двигателя при постоянном ускорении.

С/С. I/U

I г

(с)

Крутящий момент при пуск* через

роторные сопротивления

(Ь)

Крутяи** момент

при прямом запуске

(N/NJ

100

.4"

-У

Кривые

крутящих

моментов.

с/с.

1/1

(с)

Сила тока при полном напряжении

I /

(Ь)

Сила тока при пуске через

роторные сопротивления

(а)

Момент сопротивления

25% 50% 75%

100%

(N/NJ 100

Кривые

силы

токов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Этот прибор основывается на разности сопро-

тивления жидкости и ее пара. Скачок тока при пу-

ске

вызывает мгновенное испарение жидкости.

В итоге сопротивление ротора оказывается зна-

чительным. По мере того, как пар улетучивается и

конденсируется,

оно постепенно падает.

1.6.6.6.4.

Кривые крутящего момента

силы тока при использовании

жидкостного

реостата

Использование жидкостного реостата обеспе-

чивает более плавные изменения.

С/С. ,

1/1.

1 I i i

^—~—__J_(eO

Сила тока при полном напряжении

Г"

~---L

(d)

Сила тока при наличии \ /\

жидкостного

реостата V \

•(ьТкрутяТчк момент при ' /\\

наличии жидкостного реостата / \\

~"~~"f-

(а)

Крутящий момент ~~^

двигателя 1

(с)

Момент сопротивления

1 1 \ »-

25%

50% 75% 100% (N/NJ 100

Кривые

крутящего

момента

силы

тока

при наличии

жидкостного

реостата.

1.6.7.

Улучшение

коэффициента

мощности

Малые значения коэффициента мощности обус-

ловливают значительные неудобства:

— Государственное электроэнергетическое уп-

равление Франции накладывает счет на реак-

тивную энергию!*), когда коэффициент мощно-

сти

абонента ниже 0.93;

— При одной и той же активной мощности ток ока-

зывается тем выше, чем меньше коэффициент

мощности.

Отсюда следует, что возрастают по-

тери

энергии,

связанные с эффектом Джоуля;

— Понижается пусковой крутящий момент асин-

хронных двигателей в связи с падением напря-

жения,

которое вызвано повышенной силой то-

ка,

необходимого для обеспечения энергии на-

магничивания двигателя.

Пользователь, столкнувшийся с проблемой пло-

хого

коэффициента мощности, имеет 3 решения:

— увеличить сечение проводов, а также мощность

приборов:

трансформаторов, двигателей и т.д.;

— смириться с увеличением потерь, вызванных

эффектом Джоуля;

— создать источник реактивной энергии.

Последнее решение, вообще говоря, является

наилучшим. Реактивная мощность, необходимая

для изменения коэффициента мощности от величи-

ны cos фо на cos ерь может быть оценена с помощью

нижеприведенных кривых. Из них следует, что за-

метное улучшение коэффициента мощности имеет

место

при работе машины вхолостую или при низ-

ких

мощностях двигателей и трансформаторов.

(')В

течение

5 месяцев, с ноября по

март,

поставка

необ-

ходимой

реактивной

мощности,

в общем случав, обеспечи-

вается

батареями

конденсаторов.

1,00

0,95

|0,90

|о,85

8-0,80

0.75

0,70

0,65

|0,60

|0,55

|о,5О

§0,45

8 0,40

"ч!

Гч1

.0,904

чО.вбЧ,

чР,75Ч

чР.70

>ч

,0,55

fNs

0,50

ч.

"ч^

ч,

ч.

ч,

ч»

ч^

Ч,

ч.

—

ч.

ч-

ч,

ч:

ч,

ч.

Желаемый коэффициент мощности

"Чч

ч.

—1

=ч

"=:

•ч

ч Ч,

ч.

•

20 30 40 50 60 70 80 90

100110120130140150160170180190200210220230

Неоходимая

реактивная мощность

конденсатора,

% от активной мощности

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.7.

ТЕРМОДИНАМИКА

1.7.1.

Общие сведения

1.7.1.1.

Первое начало

термодинамики

(закон

сохранения энергии)

1.7.1.1.1.

Замкнутая система

При циклической эволюции системы, не обмени-

вающейся веществом с внешней средой, сумма

произведенной работы (W) и поглощенного

тепла

(Q) равна нулю:

При нециклическом процессе:

AU - изменение внутренней энергии (AU = U,- Ц);

ДЕ„-

изменение кинетической энергии.

При необходимости следует

учитывать

и другие

виды изменений энергии (потенциальной, электро-

магнитной и т.д.).

1.7.1.1.2.

Открытая система, энтальпия

В случае, когда система обменивается массой и

энергией

с внешней средой, необходимо учиты-

вать

изменение внутренней энергии (li» U,), а так-

же работу внешних сил, развиваемую на входе и

выходе:

W + Q

- (U

+ P

V,) - AU + AE«

или:

где

Н есть энтальпия - функция состояния, опреде-

ляемая

как:

Н = U + PV

случае

установившегося режима, очень часто

встречающегося на практике:

AU = U,-U, = 0

W + Q = АН + Е

(в более общем

случае

необходимо

учитывать

из-

менения других видов энергии).

АН - изменение энтальпии

флюида

между условия-

ми

на входе и

выходе

открытой системы (АН =

— Н,),

W, Q - работа и тепло, поглощаемое системой.

Работа

и поглощаемое тепло изменяют состоя-

ние флюида, заполняющего систему: изменяются

температура, давление, химические реакции, фа-

зовые переходы и т.д.

Энтальпия

измеряется в Дж

•

моль'

или Дж

•

кг

1.7.1.2.

Второе начало

термодинамики

(различие

между работой

теплотой)

Второе

начало

определяет направление воз-

можных превращений.

1.7.1.2.1.

Закрытие системы

случае

закрытой системы второе

начало

в об-

щем виде формулируется следующим образом:

элементарное количество

тепла

SQ, поглощаемое

системой

извне при температуре Т в циклическом

процессе,

таково, что:

f5Q

знак

равенства соответствует обратимому про-

цессу.

1 Общие сведения

1.7.1.2.1.1.

Приложение: циклическая эволюция

однотемпературной системы

Первое

начало:

W + Q - О

Второе

начало:

=• s О

Такая

система может только

получать

работу

(W > 0) и отдавать тепло (Q < 0).

Сметам

Г Первое начало W + Q-0

•<

__ Q

^Второе

начало

—so

Следствие: Q £ 0

Однотемпературная

система

при

циклической

эволюции.

1.7.1.2.1.2. Приложение: циклическая эволюция

двухтемпературной системы (опреде-

ление энтропии)

Система подобного рода обменивается теплом

с двумя источниками постоянной температуры (Т,

и Т

, Т, > Тг).

Сиспиа

Обязательно { I °*

Г Первое начало

1 Второе

начало

W<0=>

W + О., + Ог - 0.

i>0

'г

Совершение

работы

двухтемпературной

системой.

Первое

начало

W + Q, + Q

= 0.

Второе

начало

— + — £ 0.

Т, Т

Производство работы (W < 0) в двухтемператур-

ном цикле приводит к следующим результатам:

Q,>0

О*

При циклическом производстве работы второе

начало

показывает, что передача некоторого коли-

чества

тепла

холодному источнику

является

обя-

зательной; тепло Q, полученное от нагретого источ-

ника,

не может полностью перейти в работу W.

Для произвольного процесса в закрытой систе-

f8Q

ме можно показать, что величина I — зависит

лишь от начального и конечного состояний, но не

зависит от промежуточного пути.

Это приводит к определению новой функции со-

стояния - энтропии - с помощью соотношения:

5Q _ _

где

равенство соответствует обратимому процес-

су; либо с помощью явного введения слагаемого,

соответствующего производству энтропии за счет

необратимости:

S = S

-S, (5

S>0).

1.7.1.2.2. Открытая система

Для произвольного превращения в открытой

системе:

1.7.1.3.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ

СООТНОШЕНИЯ

1.7.1.3.1.

Термодинамические функции

Функции

U (внутренняя энергия) и Н (энтальпия)

были

введены при изложении первого

начала,

функции S (энтропия) - второго

начала

термодина-

мики.

Эти функции можно определить, если толь-

ко

состояние системы определено параметрами

состояния:

Р (давление), Т (температура), х, (со-

став в

мольных

долях).

В этом смысле роль функций и параметров со-

стояния в описании состояния системы эквива-

лентна.

Исходя из этих 'первичных" функций можно оп-

ределить следующие функции.

1.7.1.3.1.1.

Свободная энергия

F = U-TS,

использование которой удобно для закрытых сис-

тем,

изменяющихся при постоянной температуре:

w-Tfs,s

1.7.1.3.1.2. Термодинамический потенциал Гиббса

G = Н - TS

для открытых систем с постоянной температурой:

AG = W--

100

1 ОБЩИЕ

СВЕДЕНИЯ

Таким образом,

реальном процессе без совер-

шения работы термодинамический потенциал

мо-

жет только

убывать:

T[6,S.

Состояние равновесия отвечает минимуму

тер-

модинамического

потенциала: этот результат

является

основой всех расчетов химического

фи-

зического

(фазового) равновесия.

1.7.1.3.1.3. Избыточная энергия

E-H-ToS,

где

характерная температура окружающей

среды.

Эта функция позволяет выразить второе

начало

в более ясной форме: выраженная

Джоулях,

она

дает величину благородной

энергии",

то

есть

работы

механического эквивалента тепла, полу-

ченного

от

окружающей среды:

8W +

6Q 1-=?

dH-T

5,S =

5Р

потери

энергии.

В предыдущих соотношениях иногда

бывает

не-

обходимо

учитывать

изменения кинетической

или

потенциальной

энергии:

dEp.

Замечание:

дифференциальных

соотношениях

необходимо различать элементарные вариации

ве-

личин, обозначенные через

(SW, 5Q), которые за-

висят

от

хода исследуемого процесса,

полные

точные

дифференциалы

функций состояния,

обо-

значенные через

rf(dH,

oS,

cE и

т.д.), которые зави-

сят только

от

начального

конечного состояний.

Помимо

этого,

символ

означает конечное при-

ращение (разница между двумя "удаленными"

со-

стояниями);

наконец, символ

используется

для

обозначения

частных

производных.

1.7.1.3.2.

Балансовые соотношения

коэффициент полезного действия

Баланс

энергии:

+ Q = AU

Баланс

энтальпии:

+ Q = ЛН

Баланс

энтропии:

—

+ 5,S = AS

Баланс

избыточной

энергии:

= ДЕ + Р.

С этими балансовыми соотношениями связаны

различные понятия коэффициента полезного дей-

ствия,

которые выражаются отношением полезно-

го

усилия

затраченному усилию:

— энергетический кпд

т^, или

термический к.п.д.

(в приложении

тепловым машинам, печам);

— теоретический кпд т|«, или кпд Карно (тепловые

машины): это есть отношение полезного усилия,

которые можно получить

обратимом процес-

се,

затраченному усилию;

— избыточный

кпд тЦх

(применяется

во

всех

случаях):

он

показывает степень отклонения

от

обратимого

процесса.

Следующие рисунки демонстрируют приложе-

ния этих понятии

тепловым машинам (двухтемпе-

ратурный цикл

замкнутой системе)

традицион-

ным открытым

системам

(компрессор,

турбодетан-

дер,

печь).

1.7.1.3.3.

Связь

функций

параметров состояния

При обратимой эволюции закрытой системы

(без

химических реакций) работа

сил

давления

количество тепла, полученное извне, выражаются

следующим образом:

= С,оТ + IdV

или

же

ЛоР.

Применение первых

двух

начал

приводит

сле-

дующим соотношениям:

dU =

С/Я"

(I - P)oV

оН =

СрОТ

(л

V)oP

Учитывая,

что

эти

величины являются

полными

дифференциалами, получим:

— соотношения Клапейрона:

I =

— соотношения Максвелла:

--Г-1

ЭР^\

(3S

UTJ.

UPJT

101

1 Общие

сведения

Баланс

Энтальпии

• Полезное

действие

' Чал

• Полезное

действие

• Затраченное

' Чах

Компрессор

W-AH

ДН>0

W-AH>0

ДЕ>0

W-AH>0

АЕ

АН

Турбина

W-ДН

W-ДЕ + Р.,

W-ДН-еО

ДН<0

1 '"9"'

W-AH<0

ДЕ>0

АН

ДЕ

М&гров&твль

Qu +

Qp-ДН

Qu <0

ДН<0

дна

ДЕ

ДЕ<0

AI^'T^J

- и соотношения Майера:

откуда

следуют

общие соотношения:

dU =

dH = TdS- VdP =

dT+

fv-

<^>J

Открытые

процессы: выражения для к. п. д.

Баланс энтальпии W + Q + Q

= О

Баланс избыточной энергии W + Q, fi-^

К. п. д.:

Энергетический

• Полезное действие

• Затраченное

' Пап

Теоретический

• Р«-0

• Полезное действие

- Затраченное

Избыточный

Полезное действие

Затраченное

валовой

W<0

Qi>0

W<0

IWI

холодильная машина

тт

т.-т,

Ог>0

W>0

2th

= W^,

i 'г

W>0

T,-T

W>0

W T

--Л = О

T.-T,

a,<o

w>o

"w~

-w

т,-т

W>0

T,-T

W>0

W T

двухтемперштурные

циклы:

выражения

для к. п.

д.

102

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Эти соотношения можно применять, если

использовать уравнение состояния /(Р, V, Т) = О

(см.

§1.7.2.1.

1.7.2.2.).

1.7.1.4.

Термодинамические

диаграммы

1.7.1.4.1.

Диаграмма P-V (Клапейрона)

При обратимом процессе площадь под кривой

представляет собой работу внешних сил; при цик-

лическом процессе работа, совершаемая флюи-

дом,

равна площади внутри контура; цикл соответ-

ствует работе двигателя, если направление об-

хода отрицательно (по ходу часовой стрелки).

1.7.1.4.2.

Диаграмма T-S (энтропийная)

Обратимый цикл Карно изображается прямо-

угольником;

его площадь равна количеству полу-

ченного тепла:

IVdS

но если процесс необратим, то:

Q = | TdS - | Т5 S < площади

| TdS - | T5

(

'г

:А

Изотерма

Адиабата

Обратимый

цикл Карно.

1.7.1.4.3.

Диаграмма H-S (Мольера)

Часто используется для адиабатических пре-

вращений (компрессоры, турбины), в которых она

позволяет показать степень необратимости,

характеризуемую отношением:

которое

называется "иззнтропический к.п.д."

S, S,

Энтропия

Компрессор:

>—

Н,

Энтальпия

Н» -

Н».

Н, .

S, S,

Энтропия

103