Мустафин М.А. Энергосберегающие системы электропривода центробежных насосных агрегатов. Автореферат

Подождите немного. Документ загружается.

УДК 621.65.004 На правах рукописи

МУСТАФИН МАРАТ АСКАРОВИЧ

Энергосберегающие системы электропривода центробежных насосных

агрегатов

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Республика Казахстан

Алматы, 2007

Работа выполнена в НАО «Алматинский институт энергетики и связи»

Научный консультант:

Доктор технических наук, профессор Сагитов П.И.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Сальников В.Г.

Доктор технических наук, профессор Фешин Б.Н.

Доктор технических наук, профессор Садыкбек Т.А.

Ведущая организация:

Казахский Национальный технический университет им. К. Сатпаева

Защита состоится " 1 " июня 2007 года в 15.00 часов на заседании

диссертационного совета Д 14.02.04 при НАО «Алматинский институт

энергетики и связи» по адресу: 050013, г Алматы, ул. А. Байтурсынова, 126.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НАО «Алматинский

институт энергетики и связи».

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 050013, г Алматы, ул. А.

Байтурсынова, 126, НАО «Алматинский институт энергетики и связи»,

ученому секретарю диссертационного совета. Факс: (3272)925057, тел.

2927311

Автореферат разослан " " апрель 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Г.Д. Манапова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В условиях современных экономических

отношений возникает необходимость повышения эффективности

использования, всех видов энергоресурсов с применением в широких

масштабах энергосберегающих технологий. Одним из важных ресурсов в

решении этой задачи является снижение энергопотребления на

промышленных объектах средствами автоматизированного электропривода.

Механизмы центробежного действия (ЦМ) являются наиболее массовыми и

энергоемкими потребителями электрической энергии. В настоящее время в

мировой практике существует устойчивая тенденция замены нерегулируемых

электроприводов центробежных насосов (ЦН), компрессоров, вентиляторов на

регулируемые системы. Важный вклад в теорию, разработку и внедрение

таких приводов внесли М.Г.Юньков, Н.Ф.Ильинский, Г.Б.Онищенко,

Б.С.Лезнов, Ю.Г.Шакарян и другие ученые. В их трудах доказана

необходимость применения регулируемого электропривода, разработана

теоретическая база такой замены, определены пути и методы реализации.

В качестве систем автоматизированного электропривода центробежных

насосов наибольшее распространение получили регулируемые

электроприводы на базе наиболее простого и надежного асинхронного

двигателя (АД). Ведущими мировыми производителями выпускаются и

постоянно совершенствуются приводы с управлением от вентильных

преобразователей по схеме «преобразователь частоты – асинхронный

двигатель» (ПЧ – АД). Непрерывный переход на более современную

элементную базу позволил значительно улучшить массогабаритные,

энергетические и эксплуатационные показатели. Частотное управление

является наиболее экономичным способом плавного регулирования частоты

вращения АД, так как он во всем диапазоне регулирования работает с малой

величиной скольжения ротора (малыми потерями скольжения), имеет высокий

КПД и хорошую жесткость механических характеристик. Вопросам

разработки и исследования частотно – регулируемых электроприводов

посвящены труды таких ученых, как М.П.Костенко, А.А.Булгаков, А.С.

Сандлер, Ю.М. Гусяцкий, М.З. Хамудханов, А.Я. Бернштейн, Р.С. Сарбатов,

Т. Такеути, И.И.Эпштейн.

Электропривод центробежных механизмов является основной

областью, где системам частотного регулирования асинхронных двигателей

имеется альтернатива – система с машиной двойного питания (МДП) -

асинхронный двигатель, к статору и контактным кольцам ротора которого

подводится регулируемое по амплитуде, частоте и фазе напряжение.

Достоинством такого привода является пониженная установленная мощность

преобразователя, соответствующая глубине регулирования скорости и

возможность регулирования реактивной мощности. Последнее является

важным резервом повышения энергоэффективности центробежных

агрегатов. Теоретические основы этой системы электропривода заложены в

трудах В.Г. Касьянова, М.М.Ботвинника и развиты исследованиями Ю.Г.

Шакаряна, Н.Н. Блоцкого, Г.Б.Онищенко, С.В. Хватова, В.Г. Титова и

других ученых.

Усилиями указанных выше ученых и их последователей разработаны

основы теории частотного регулирования и МДП, общие уравнения и теория

АД при питании от ПЧ, принципы построения и управления таких систем.

Получены методы расчета и анализа электромагнитных и

электромеханических процессов в приводе в установившихся и переходных

режимах. Установлены оптимальные, по различным показателям, законы

управления приводом. Достаточно полно разработана теория

преобразователей частоты, определились рациональные силовые схемы и

принципы управления ими.

На сегодня, однако, существует ряд проблем, затрудняющих

исследование и разработку новых систем электропривода центробежных

агрегатов.

Режимы работы ПЧ и АД определяются, в конечном итоге, заданными

параметрами трубопровода и характеристиками насоса. С этой точки зрения,

проведено недостаточно исследований системы «регулируемый

электропривод – насосный агрегат – трубопровод» в комплексе. Режимы

работы, параметры регулирования ЦН, которые определяют требования к

электроприводу, различны в зависимости от назначения агрегатов.

Правильный выбор системы электропривода, разработка оптимальных

законов управления двигателем и преобразователем должны опираться на

точную идентификацию центробежного агрегата, как нагрузки привода.

Необходимо получить взаимозависимости основных параметров режимов

работы трубопровода, насоса, двигателя и преобразователя, как составляющих

единой системы.

Предлагаемые варианты оптимального управления асинхронным

электроприводом также не учитывают с достаточной точностью

особенностей ЦН и трубы, как нагрузки привода. Для указанных систем

электропривода необходимо разработать алгоритмы управления

предлагаемого электропривода, позволяющие минимизировать потери

электроэнергии и потребление реактивной мощности в приводе при

регулировании режимов работы центробежных насосных агрегатов.

Необходима единая методика оценки эффективности предлагаемых

решений. В исследованиях, проведенных различными авторами и в

разное время, применяются различные подходы, методы анализа, формы

математического описания стационарных и динамических режимов работы

систем асинхронного электропривода. Один и тот же объект (АД)

описывается авторами по – разному при питании от ПЧ статора или ротора.

Это позволяет глубоко и всесторонне изучить особенности каждой из систем

привода, но затрудняет проведение качественного сопоставительного анализа

электромагнитных процессов различных систем АЭП с АД, для которого

логично было бы использовать единый математический аппарат описания

различных схем управления асинхронным электроприводом во всех режимах

работы двигателя насосного агрегата.

Как правило, в проводимых исследованиях электроприводов

центробежных механизмов рассматривается АД с питанием статора (ротора)

от идеализированного ПЧ, как источника синусоидальной ЭДС.

Несинусоидальность напряжений и токов применяемых преобразователей

частоты оказывает значительное влияние на энергетику привода.

Необходимы методы расчета электромагнитных и электромеханических

процессов, интегральных энергетических показателей электропривода

насосов с учетом несинусоидальности токов и напряжений, сравнительный

анализ различных вариантов формирования выходного напряжения

преобразователя частоты, исходя из условия минимизации

энергопотребления в различных режимах работы ЦН.

Наличие созданной теоретической базы, современное состояние развития

силовой электроники, вычислительной техники и средств управления,

накопленный опыт проектирования, разработки и внедрения

автоматизированного электропривода на базе АД, позволяют обобщить и

развить методы и результаты, полученные на сегодняшний день и решить

актуальную технико – экономическую проблему – создание

энергосберегающих систем автоматизированного электропривода для

управления центробежными агрегатами.

Целью работы является разработка научных основ

энергосберегающего регулируемого асинхронного электропривода с

центробежной нагрузкой.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены

следующие основные задачи:

1. Получить функциональные зависимости, связывающие

гидравлические, механические и электрические переменные силового канала

центробежных агрегатов. Идентифицировать ЦН, как механическую

нагрузку регулируемого электропривода.

2. Разработать единый для различных систем регулируемого

асинхронного электропривода ЦН метод расчета электромагнитных и

электромеханических процессов.

3. Разработать законы и математические модели оптимального, по

минимуму потерь в двигателе и минимуму потребляемой реактивной

мощности, управления электроприводом ЦН с учетом параметров насоса и

трубопровода.

4. Провести исследования электромагнитных и электромеханических

процессов разработанных систем управления электроприводами в режимах

регулирования насосных агрегатов.

5. Разработать методы расчета, математические модели для

исследования процессов в электроприводе с учетом несинусоидальности

токов и напряжений преобразователей частоты.

Объект исследования – системы автоматизированного

электропривода центробежных насосов на базе асинхронных двигателей.

Предмет исследования – оптимальные, по минимуму

энергопотребления, схемы и законы управления электроприводов ЦН.

Научная новизна проведенных исследований:

- получены модифицированные механические характеристики

регулируемых асинхронных электроприводов с центробежной нагрузкой,

учитывающие параметры насосов и трубопроводов;

- установлены основные закономерности протекания электромагнитных

и электромеханических процессов в статических и динамических режимах

работы основных систем регулируемого асинхронного электропривода

центробежных насосов;

- разработаны математические модели регулируемых асинхронных

электроприводов насосных агрегатов, учитывающие свойства

преобразователей, электродвигателей, насосных агрегатов и трубопроводов;

- предложены методы и алгоритмы оптимального управления

регулируемыми асинхронными электроприводами насосных агрегатов по

минимуму энергетических затрат;

- разработаны методы расчета электромагнитных, электромеханических

процессов и интегральных энергетических показателей электродвигателей

при питании от различных преобразователей частоты;

На защиту выносятся:

- комплекс математических моделей, методов, алгоритмов и программ

расчета электромагнитных и электромеханических процессов и

интегральных энергетических показателей энергосберегающих систем

асинхронного электропривода центробежных насосных агрегатов;

- методы и алгоритмы определения оптимальных по энергозатратам

законов управления привода при работе на ЦН;

- результаты исследований оптимальных, по минимуму потерь в

двигателе и минимуму потребляемой реактивной мощности, способов

управления двигателями ЦН;

- метод и результаты исследований электромагнитных процессов и

энергетических характеристик привода ЦН с учетом несинусоидальности

токов и напряжений.

Практическая ценность работы

1. Разработаны алгоритмы и программы расчета токов, моментов и

энергетических характеристик двигателей центробежных агрегатов в

статических и динамических режимах работы, используемые при

проектировании новых и модернизации существующих установок.

2. Предлагаемые методики позволяют получить параметры

оптимального управления для электроприводов центробежных агрегатов на

основе характеристик и особенностей режимов работы конкретных ЦН и

трубопроводов.

3. В работе, наряду с точными аналитическими и численными

исследованиями, предлагаются упрощенные методы расчета и анализа,

применимые в инженерной практике.

4. Методы расчета электромагнитных нагрузок позволяют оценить

влияние несинусоидальности токов и напряжений на величину потерь

мощности и использование АД по мощности на этапе проектирования.

5. Разработаны рекомендации по рациональному применению различных

систем регулируемого асинхронного электропривода центробежных

насосных агрегатов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной

работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно – технических

конференциях Горьковского политехнического института (1982, 1985, 1987 гг.),

Казахского политехнического института (1976 -1989 гг.), Алматинского

института энергетики и связи (1978, 1981, 1982, 1983 гг.), Казахского

Государственного аграрного университета, Павлодарского Государственного

университета, республиканских научно – технических конференциях

«Повышение эффективности производства, преобразования и потребления

электроэнергии в народном хозяйстве» (Алма – Ата, 1985 г.), «Интенсификация

производства в энергетике и электротехнике» (Алма – Ата, 1986 г.),

Всесоюзном научно – техническом совещании «Проблемы оптимизации работы

автоматизированных электроприводов» (Душанбе, 1986 г.), совещании

координационного совета межвузовской научно – технической программы

«Оптимум» (Алма – Ата, 1986 г.), международных научно – технических и

научно – практических конференциях «Энергетика, телекоммуникация и

высшее образование в современных условиях» ( Алматы, 1998, 2000, 2002,

2004, 2006 гг.), «КазНТУ – образованию, науке и производству РК» (Алматы,

1999 г.), «Современные технологии и управление качеством в образовании,

науке и производстве: опыт адаптации и внедрения» (Бишкек, 2001 г.),

«Становление и развитие Экибастузского региона» (Экибастуз, 2003 г.),

«Энергосбережение – проблемы, современные технологии и управление»

(Бишкек, 2003 г.).

Публикации. По результатам выполненных в диссертации

исследований опубликовано 40 печатных работ, в том числе монография,

получено авторское свидетельство.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех

разделов и заключения, содержит 221 страниц основного текста, 120

рисунков, список использованных источников из 189 наименований и

приложений.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования,

сформулирована цель работы и поставлены научные задачи, отмечены

научная новизна, практическая значимость и уровень апробации результатов,

сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проведен анализ особенностей режимов работы

насосных агрегатов различного назначения:

- агрегатов систем водотеплоснабжения и канализации, используемых в

системе жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) и на промышленных

предприятиях;

- агрегатов магистральных трубопроводов – нефтеперекачивающих

станций (НПС), водоводов и т.д.;

- агрегатов, используемых в электроэнергетике (питательных, багерных

циркуляционных, конденсатных насосов и насосов осветленной воды ТЭЦ).

- насосов, исполняющих функции транспорта жидких продуктов в

различных технологических схемах металлургии, химической и других

отраслей промышленности.

Анализ состава насосного оборудования, проведенные замеры его

загрузки и способов регулирования на АО «Водоканал» г. Алматы,

Алматинской ТЭЦ – 2, НПС АО «КазТрансОйл» показали, что:

- подавляющее большинство насосных агрегатов требует регулирования

выходных параметров: подачи и напора, чаще всего в функции уровня в

принимающей емкости или давления в диктующей точке технологической

схемы;

- значительное количество и большая установленная мощность ЦН

позволяет считать их наиболее значительным резервом экономии

энергоресурсов;

- насосные агрегаты объединяет то, что они проектируются и

устанавливаются с учетом максимального расхода, часто с запасом «на

развитие», поэтому в значительной части рабочего цикла работают в режимах

пониженной производительности;

- низкая энергоэффективность использования ЦН связана с

существующими схемами регулирования их производительности;

- выбор способов регулирования выходных параметров ЦН должен

выполняться с учетом особенностей режимов работы, параметров

регулирования (диапазон, быстродействие), характерных для каждой из

рассмотренных групп насосов и оценки энергозатрат на их реализацию.

Проведенный анализ показывает, что требования к параметрам

регулирования различных насосных агрегатов во многом определяется их

назначением. Для ЦН, применяемых в системах водоснабжения и

канализации, характерны суточные и сезонные колебания потребления,

«пиковые» нагрузки. Для поддержания давления в заданных пределах,

регулирование должно проводиться в рамках автоматических систем

управления, в которых динамические режимы работы могут занимать

значительную часть рабочего цикла. Нагрузка магистральных агрегатов,

напротив, изменяется достаточно редко и в меньших пределах. Режимы

работы ЦН, используемых в различных других технологических схемах

производства, непосредственно связаны с параметрами и режимами

последних.

Одной из задач данного раздела является определение

взаимозависимостей параметров электропривода, насоса и трубопровода, на

который ЦН работает. Получены аналитические соотношения в силовом

канале электропривода центробежных насосов, связывающие значения

полезной гидравлической мощности на входе трубопровода Р

ТР

гидравлической мощности на выходе ЦН Р

цн

, механической мощности на

валу двигателя насоса Р

дв

, электрической мощности, потребляемой

двигателем насоса P

, электрической мощности, потребляемой из сети

электроприводом насоса Р

, потерь мощности в гидравлическом регуляторе,

насосе, двигателе и преобразователе. Эти функциональные зависимости

позволяют по параметрам насоса и трубопровода оценить различные

варианты регулирования напора и подачи ЦН на этапе проектирования или

модернизации.

Известно, что регулирование частоты вращения рабочего колеса в

соответствии с заданной производительностью ЦН позволяет не только

исключить гидравлические потери в гидрорегуляторе, но и повысить

энергоэффективность агрегата за счет повышения КПД самого насоса.

Исследователями отмечалось это обстоятельство, однако для сетей с

противодавлением предлагались достаточно сложные методы оценки

изменения КПД ЦН при регулировании частоты вращения. Поскольку потери

в ЦН составляют существенную долю общих потерь агрегата, в разделе

получен инструмент их аналитической оценки в виде относительного

значения КПД при регулировании подачи

)(

QQН

мех

ТР

. (1)

На рисунке 1 представлены расчеты мощностей и КПД ЦН при работе насоса

на сеть без статического напора и с противодавлением.

1 – характеристика трубопровода; 2 – полезная гидравлическая мощность; 3 –

механическая мощность на валу ЦН, 4 – относительный КПД ЦН.

Рисунок 1.

При Н

= 0, η

= 1 во всем диапазоне регулирования подачи, при

наличии противодавления КПД изменяется в соответствии с выражением (1).

= 0.4

= 0 Н

= 0.4

Абсолютное значение КПД ЦН определяется как произведение

относительного КПД на номинальное значение

номцнцн

ηηη

. (2)

На рисунке 2 приведены расчетные кривые КПД регулируемого по

частоте вращения ЦН для различных значений статического напора и

экспериментально полученная характеристика КПД. Рисунок иллюстрирует

достаточно высокую точность предлагаемого аналитического способа

расчета (погрешность не превышает 6.5%).

1 – Н

= 0; 2 – Н

= 0.2; 3 – Н

= 0.4; 4 – Н

= 0.4

Рисунок 2 – Относительный КПД ЦН при регулировании частотой

вращения.

В разделе рассмотрены способы регулирования подачи и напора,

используемые в насосных агрегатах различного назначения, проведены

численные исследования их эффективности.

Важным условием оптимизации систем АЭП насосных агрегатов

является точная идентификация ЦН, как механической нагрузки

регулируемого электропривода. Основной характеристикой является

зависимость статического момента сопротивления на валу от частоты его

вращения М

= f(ω), называемая механической характеристикой. Вид этой

характеристики и механической характеристики привода определяют, в

частности, и энергетические параметры работы агрегата.

Специалисты, используют в исследованиях упрощенные представления о

центробежных механизмах, как о нагрузке двигателя. В большей части

исследований ЦМ принимается как механизм с квадратичной зависимостью

момента сопротивления от частоты вращения, и дальнейшие выводы

выполняются в соответствии с законами гидравлического подобия. В разделе

получены аналитические выражения, связывающие параметры насоса и

трубопровода с частотой вращения ЦН, механической мощностью и

моментом. Механическая характеристика ЦН получена в виде