Содержание к диссертации
Введение
1 Объект исследования. Научно-техническая проблема. Задачи исследования 9
1.1 Насосы. Насосные агрегаты и установки 9
1.2 Электроприводы насосных агрегатов 19
1.3 Традиционный асинхронный двигатель как преобразователь электрической энергии в механическую 24
1.4 Обзор технических решений по повышению коэффициента мощности асинхронных двигателей 33
1.5 Научно-техническая проблема. Актуальность проблемы. Постановка задачи исследования 43
2 Разработка методики электромагнитного расчета энергосберегающего асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности ...46
2.1 Разработка электрической схемы замещения асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности 47
2.2 Разработка математической модели линейной токовой и тепловой нагрузок асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности 51
2.3 Определение емкости компенсирующего конденсатора асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности 58
2.4 Обоснование соотношения параметров намагничивающей и компенсирующей ветвей схемы замещения асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности 73
2.5 Методика и алгоритм электромагнитного расчета асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности 86
2.6 Реконструкция традиционных асинхронных двигателей на энергосберегающие для электроприводов насосных агрегатов 96
2.7 Выводы и рекомендации 99
3 Исследование математическим моделированием энергосберегающих свойств электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД и ТАД 100
3.1 Разработка математического описания установившихся режимов нагрузок и электропотребления нерегулируемых и регулируемых электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД и ТАД 104
3.2 Разработка методики и алгоритма моделирования электропотребления и энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД 123
3.3 Моделирование режимов электропотребления асинхронных электроприводов насосных агрегатов. Анализ результатов моделирования 133
3.4 Выводы и рекомендации 147
4 Экспериментальные исследования электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД 148
4.1 Цели и задачи экспериментального исследования 148
4.2 Разработка и создание экспериментальных электроприводов на основе ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД насосного агрегата 149
4.3 Программа экспериментальных исследований электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД и ТАД. Результаты экспериментальных исследований 151
4.3.1 Экспериментальное исследование нерегулируемых электроприводов насосных агрегатов 152
4.3.2 Экспериментальное исследование регулируемых электроприводов насосных агрегатов 158
4.4 Дополнительные требования к электроприводам насосных агрегатов при применении ЭАД 167
Выводы и заключения по диссертационной работе 168
Список использованных источников 170
- Традиционный асинхронный двигатель как преобразователь электрической энергии в механическую
- Разработка электрической схемы замещения асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности
- Разработка математического описания установившихся режимов нагрузок и электропотребления нерегулируемых и регулируемых электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД и ТАД
- Экспериментальное исследование нерегулируемых электроприводов насосных агрегатов
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из главных ресурсов, используемых человеком для жизнеобеспечения и производственной деятельности, является вода и другие жидкости. Для их транспортирования по трубопроводам применяются насосные агрегаты и установки, приводимые в движение трехфазными асинхронными электрическими двигателями. Только на транспортирование чистых и сточных вод в РФ ежегодно расходуется не менее 120-130 млрд. кВтчасов электроэнергии, стоимость которой оценивается в 215-235 млрд. рублей. От 30 до 40 % электроэнергии теряется из-за сравнительно низкой энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов и их работы с превышением напора. Это является одной из причин повышения стоимости жизнеобеспечения людей и производимой продукции. Тенденцией мирового сообщества является снижение потребления электроэнергии с целью эффективного использования ресурсов и повышения конкурентоспособности продукции. В этой связи существует проблема повышения энергоэффективности транспортирования жидкостей насосными агрегатами и установками.
Одной из причин невысокой энергоэффективности транспортирования жидкостей является использование в электроприводах насосных агрегатов традиционных асинхронных двигателей (ТАД), потребляющих из электросети ток и реактивную мощность индуктивного характера, снижающие коэффициент мощности (coscp), электрический КПД, а следовательно, энергетический КПД, равный их произведению.
Наиболее эффективным методом снижения энергозатрат является компенсация реактивной мощности, осуществляемая различными известными техническими средствами - компенсаторами реактивной мощности (КРМ). В системах электроснабжения 0,4 кВ насосных станций, как правило, отсутствуют КРМ. Поэтому потери электроэнергии от реактивных токов составляют не менее 20-38 % от общих электрических потерь.
Повышению энергоэффективности технических комплексов и систем транспортирования жидкости, в том числе асинхронных электроприводов насосных агрегатов, посвящены научные труды многих отечественных ученых и специалистов: Сыромятников И.А., Ильинский Н.Ф., Онищенко Г.Б., Лез-нов Б.С, Иванов Г.М. и другие.
Цель диссертационной работы - снижение потерь электроэнергии в асинхронных электроприводах и электрических сетях 0,4 кВ путем повышения коэффициента мощности, электрического и энергетического КПД. Для достижения поставленной цели решаются следующие главные задачи:
Разработка энергосберегающего асинхронного двигателя (ЭАД) для насосного агрегата и методики электромагнитного расчета, обеспечивающего его создание.
Разработка методики расчета электропотребления и оценки энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе применения ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД.
Моделирование электропотребления электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД.
Экспериментальное исследование электропотребления электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались: теория электрических цепей; теория электрических машин; теория электропривода; методы компьютерного моделирования; математические методы обработки информации; методы цифровой обработки аналоговых сигналов; методы экспертных оценок; методы эквивалентирования электрических нагрузок; экспериментальные методы; специальное программное обеспечение. Основные положения выносимые на защиту;
Электрическая схема замещения ЭАД с двумя обмотками на статоре; зависимости для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора, отличающиеся от известных учетом токов и числа витков обеих обмоток статора; зависимости для определения емкости компенсирующего конденсатора ЭАД, отличающиеся возможностями ее расчета в функции от соотношений параметров обмоток статора, параметров ветви намагничивающего контура, от частоты тока источника питания, от полезной мощности двигателя и их комбинаций.
Методики электромагнитного расчета новых ЭАД с двумя трехфазными обмотками на статоре и пересчета ТАД в ЭАД, отличающиеся от известной методики новым критерием расчета - получения двигателя с максимальным энергетическим КПД и новой последовательностью вычислительных действий, направленных на минимизацию реактивного тока и получение наибольших коэффициентов мощности и полезного действия двигателя путем определения оптимального соотношения МДС ферромагнитного сердечника и компенсационной обмотки статора.
Методика расчета электропотребления и показателей энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов, отличающиеся учетом изменяющихся КПД насоса и электродвигателя, электрических параметров ЭАД или ТАД, параметров источников питания и системы электроснабжения насосной станции, возможностью исследования электропотребления насосными агрегатами, как с нерегулируемыми, так и с регулируемыми электроприводами при различных отношениях выходных параметров (U/f) ПЧ для различных емкостей компенсирующих конденсаторов ЭАД и использования для оперативного управления энергоэффективностью транспортирования жидкости.
4. Экспериментальные электроприводы и данные, подтверждающие
энергосберегающие свойства электроприводов насосных агрегатов, созданных
на основе ЭАД.
Научная новизна работы:
1. Теоретически обоснованы: электрическая схема замещения ЭАД с двумя обмотками на статоре; получены зависимости для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора, отличающиеся от известных учетом
токов и числа витков обеих обмоток статора; получены зависимости для определения емкости компенсирующего конденсатора ЭАД, отличающиеся от известной возможностью ее расчета в функции от параметров обмоток статора ЭАД, от коэффициентов изменения сопротивления намагничивающего контура, от частоты тока источника питания, от полезной нагрузки двигателя и их комбинаций.
Разработаны методики электромагнитного расчета новых ЭАД с двумя трехфазными обмотками на статоре и пересчета ТАД в ЭАД. Они базируются на известном методе электромагнитного расчета ТАД, но отличаются от него новым критерием расчета - получения двигателя с максимальным энергетическим КПД(пэ„= ПиСОБф,,—»тах) и новой последовательностью вычислительных действий.
Разработаны математические модели и методика расчета электропотребления и показателей энергоэффективности насосных агрегатов, отличающиеся от известной методики тем, что кроме напорно-расходных характеристик насоса и трубопровода учитывают изменение КПД насоса от частоты вращения и подачи, электрические параметры ЭАД или ТАД, источников питания (ПЧ), системы электроснабжения насосной станции, текущее время и применимы для исследований и оперативного управления энергоэффективностью транспортирования жидкости.
Теоретически и экспериментально доказаны возможность и энергоэффективность применения ЭАД, обладающего coscp=l,0, в нерегулируемых и регулируемых от ПЧ электроприводах насосных агрегатов.
Практическая значимость работы:
Полученные электрическая схема замещения, зависимости для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора, емкости компенсирующего конденсатора позволяют получить оптимальные соотношения числа витков, диаметров обмоточных проводов, емкости компенсирующего конденсатора и формировать энергосберегающие рабочие и механические характеристики асинхронного двигателя.
Методики электромагнитного расчета новых ЭАД и пересчета ТАД в ЭАД позволяют создавать энергоэффективные асинхронные двигатели для насосных агрегатов и других механизмов как на электромашиностроительных заводах, так и на электроремонтных предприятиях.
Разработанные математические модели и методика расчета электропотребления и показателей энергоэффективности насосных агрегатов позволяют исследовать и организовать оперативное управление электропотреблением с учетом реальных параметров насосов, трубопроводов, электроприводов, системы электроснабжения, подачи и напора жидкости, а также способов их регулирования.
Созданы экспериментальные электроприводы насосных агрегатов, реализованные на основе ЭАД и ПЧ-ЭАД. Выполненные экспериментальные и теоретические исследования позволили создать энергоэффективный электро-
привод насосного агрегата на основе применения ЭАД и рекомендовать их к внедрению.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедрены: в МП трест «Водоканал» г. Магнитогорска в виде математических моделей и методики определения электропотребления насосными агрегатами для оптимизации их режимов работы; в МП трест «Теплофикация» г. Магнитогорска в виде электроприводов насосных агрегатов тепловых пунктов на основе ЭАД; в ЭРЦ ОАО «ММК-Метиз» и МП трест «Электротранспорт» в виде инженерной методики, зависимостей и компьютерной программы для осуществления модернизации ТАД в ЭАД.
Обоснованность и достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается строгим выполнением математических преобразований; принятием корректных допущений; подтверждением данных моделирования экспериментальными результатами и их воспроизводимостью; применением современных математических моделей и пакетов программ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 15 международных научно-технических конференциях, симпозиумах, выставках-конгрессах, в том числе: на V, VII Международных симпозиумах «ЭЛМАШ-2004, 2009», Москва; X, XVI международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов, Москва, 2004, 2010; Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2005 г.; Международной выставке-конгрессе. Высокие технологии. Инновации. Инвестиции, Санкт-Петербург, 2006 г.; V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Санкт-Петербург, 2007 г.; XII Международной конференции «Электромеханика, электротехнология, электротехнические материалы и компоненты», Крым, Алушта, 2008 г.; Международной конференции «Электроэнергетика и автоматизация в металлургии и машиностроении», Магнитогорск, 2008 г.; Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективности и энергобезопасность производственных процессов», Тольятти, 2009 г. и других.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных статей, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 179 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 103 наименований, приложений, включает 67 рисунков и 16 таблиц.
Традиционный асинхронный двигатель как преобразователь электрической энергии в механическую
Одной из причин невысокой энергоэффективности транспортирования жидкости является использование в электроприводах насосных агрегатов традиционных асинхронных двигателей (ТАД), потребляющих из электросети ток и реактивную мощность индуктивного характера, снижающие коэффициент мощности (coscp), электрический КПД, и, следовательно, энергетический КПД, равный их произведению.
Наиболее эффективным методом снижения энергозатрат является компенсация реактивной мощности, осуществляемая различными известными техническими средствами - компенсаторами реактивной мощности (КРМ). В системах электроснабжения 0,4 кВ насосных станций, как правило, отсутствуют КРМ. Поэтому потери электроэнергии от реактивных токов составляют не менее 20-38 % от общих электрических потерь.
Повышению энергоэффективности технических комплексов и систем транспортирования жидкости, в том числе асинхронных электроприводов насосных агрегатов, посвящены научные труды многих отечественных ученых и специалистов: Ильинский Н.Ф., Онищенко Г.Б., Лезнов Б.С., Гинзбург Я.Н. и другие.
Цель диссертационной работы - снижение потерь электроэнергии в асинхронных электроприводах и электрических сетях 0,4 кВ путем повышения коэффициента мощности, электрического и энергетического КПД. Для достижения поставленной цели решаются следующие главные задачи: 1. Разработка энергосберегающего асинхронного двигателя (ЭАД) для насосного агрегата и методики электромагнитного расчета, обеспечивающего его создание. 2. Разработка методики расчета электропотребления и оценки энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе применения ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД. 3. Моделирование электропотребления электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД. 4. Экспериментальное исследование электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД. Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались:, теория электрических цепей; теория электрических машин; теория электропривода; методы компьютерного моделирования; математические методы обработки информации; методы цифровой обработки аналоговых сигналов; методы экспертных оценок; методы эквивалентирования электрических нагрузок; экспериментальные методы; специальное программное обеспечение. Научная новизна работы: 1. Теоретически обоснованы: электрическая схема замещения ЭАД с двумя обмотками на статоре; получены зависимости для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора, отличающиеся от известных учетом токов и числа витков обеих обмоток статора; получены зависимости для определения емкости компенсирующего конденсатора ЭАД, отличающиеся от известной возможностью ее расчета в функции от параметров обмоток статора ЭАД, от коэффициентов изменения сопротивления намагничивающего контура, от частоты тока источника питания, от полезной нагрузки, приложенной к валу двигателя и их комбинаций. 2. Разработаны методики электромагнитного расчета новых ЭАД с двумя трехфазными обмотками на статоре и пересчета ТАД в ЭАД. Они базируются на известном методе электромагнитного расчета ТАД, но отличаются от него новым критерием расчета - получения двигателя с максимальным энергетическим КПД Спэп= гнсо8фн—ялах). 3. Разработаны математические модели и методика определения электропотребления и показателей энергоэффективности насосных агрегатов, отличающиеся от известной методики тем, что кроме напорно-расходных и других характеристик насоса и трубопровода, учитывают электрические параметры ЭАД или ТАД, источников питания (ПЧ) и системы электроснабжения насосной станции и применима для оперативного управления энергоэффективностью транспортирования жидкости. 4. Теоретически и экспериментально доказаны возможность и энергоэффективность применения ЭАД, обладающего созф=1,0, в нерегулируемых и регулируемых от ПЧ электроприводах насосных агрегатов. Практическая значимость работы: 1) Разработанные методики электромагнитного расчета новых ЭАД и пересчета ТАД в ЭАД дают возможность определять оптимальные соотношения числа витков, диаметров обмоточных проводов, емкости компенсирующего конденсатора, что позволяет создавать энергоэффективные асинхронные двигатели, обладающими энергосберегающими рабочими и механическими характеристиками, для насосных агрегатов и других механизмов как на электромашиностроительных заводах, так и на электроремонтных предприятиях. 2) Разработанные математические модели и методика расчета электропотребления и показателей энергоэффективности насосных агрегатов позволяют исследовать и организовать оперативное управление электропотреблением с учетом реальных параметров насосов, трубопроводов, электроприводов, системы электроснабжения, подачи и напора жидкости, а также способов их регулирования. 3) Созданные экспериментальные электроприводы насосных агрегатов, реализованные на основе ЭАД и ПЧ-ЭАД обладают меньшими пусковыми токами в 1,281,5 раза, работают с созф=1,0, или с генерацией реактивной мощности емкостного характера, благодаря чему позволяют уменьшить удельный расход электрической энергии на транспортирование жидкости на 9-12%, полную потребляемую мощность на 13-17%. Каждый киловатт установленной мощности электроприводов на основе ЭАД экономит в год 300-750 кВтчас электроэнергии.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедрены: в ООО «Магнитогорские услуги» в виде инженерной методики, зависимостей и компьютерной программы для осуществления модернизации ТАД в ЭАД; в МП трест «Водоканал» г. Магнитогорска в виде математических моделей и методики определения электропотребления насосными агрегатами для оптимизации их режимов работы; в МП трест «Теплофикация» г. Магнитогорска в виде электроприводов на основе ЭАД насосных агрегатов тепловых пунктов.
Обоснованность и достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается строгим выполнением математических преобразований; принятием корректных допущений; подтверждением данных моделирования экспериментальными результатами; применением современных математических моделей и пакетов программ.
Разработка электрической схемы замещения асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности
Во всех рассмотренных вариантах электроприводов используются традиционные асинхронные двигатели (ТАД) с короткозамкнутым или фазным ротором. Они обладают известными достоинствами и преимуществами, такими как простота конструкции, надежность и невысокие эксплуатационные расходы.
Вместе с тем следует отметить, что ТАД имеют существенные недостатки, например, они для создания магнитного поля потребляют из электросети реактивную мощность индуктивного характера. Это снижает коэффициент мощности двигателя, а следовательно, ухудшает другие рабочие характеристики, например, увеличивается потребляемый ток, снижаются электрический и энергетический КПД. Кроме того, наличие одной трехфазной обмотки на статоре ТАД ограничивает число вариантов включения этого двигателя в электросеть, а следовательно - возможности регулирования и изменения рабочих и механических характеристик электроприводов насосных агрегатов.
В последние десятилетия 1990-2010 г.г. появились работы по созданию и применению компенсированных асинхронных двигателей с повышенными энергетическими характеристиками [62, 63, 64]. Однако, применение этих двигателей в качестве приводов НА в научно-технической литературе не обнаружено. В этой связи более подробно рассмотрим конструкцию и основные уравнения, описывающие традиционные и компенсированные асинхронные двигатели. Практическое применение асинхронного двигателя началось после изобретения русским электротехником М. О. Доливо-Добровольским в 1888 году трехфазной системы электропередачи переменного тока и трехфазного асинхронного двигателя с шихтованным стальным сердечником и медной короткозамкнутой клеткой ротора. Особенностям конструирования этой электрической машины, ее математическому описанию, анализу режимов работы, эффективному применению ее в качестве привода для различных рабочих машин посвящены труды многих русских, советских и зарубежных инженеров и ученых [39, 50, 60].
Устройство, принцип действия, теория традиционных асинхронных машин достаточно подробно изложены во многих фундаментальных работах отечественных ученых [39, 50, 60, 65]. Поэтому в данной части работы приведем главные известные понятия и математические соотношения, которые будут использованы при решении задач, поставленных в диссертационном исследовании.
Схема замещения асинхронной машины. Для аналитического исследования режимов работы асинхронной машины часто пользуются ее электрическими схемами замещения. Известно несколько конфигурации электрических схем замещения асинхронной машины, например, Т-образная схема, Г-образная схема, схема Соро- кера и ее модификации, схема Вейнотта и другие [66, 67, 68].
Исходным положением для получения известных схем замещения является то, что асинхронная машина с вращающимся ротором заменяется асинхронной машиной с заторможенным ротором. Это позволяет рассматривать ш-фазную асинхронную машину как ш-фазный двухобмоточный трансформатор, ко вторичной обмотке которого подключен т-фазный потребитель с активным сопротивлением К„. Мощность этого потребителя пропорциональна механической мощности, приложенной к валу асинхронной машины.
Схему замещения одной фазы ТАД можно представить Т-образной электрической схемой замещения, рисунок 1.9 [66], где 11], X] - активное и индуктивное сопротивления обмотки статора; К г, Х 2 - активное и индуктивное сопротивления ртора, приведенные к обмотке статора; Я — активное сопротивление, характеризующее потери энергии в магнитной системе машины; X — индуктивное сопротивление, характеризующее электродвижущие силы обмоток, возбужденные основным вращающимся магнитным полем машины; /, — комплекс тока обмотки статора; Г2 - комплекс тока обмотки ротора, приведенный к обмотке статора; / — комплекс тог ка намагничивающего контура.
Разработка математического описания установившихся режимов нагрузок и электропотребления нерегулируемых и регулируемых электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД и ТАД
Синхронизация асинхронного двигателя с электрической сетью в последние годы применяется все реже из-за увеличения аппаратных затрат на ее реализацию. Кроме того, рассмотренный способ повышения соБф неприменим для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
Асинхронный двигатель с постоянными магнитами на роторе. В 2001 году выдано свидетельство на полезную модель и опубликована статья [62]. Авторами предложен АД, который при сохранении основных его достоинств: простоты, надежности и невысокой стоимости, обеспечивает во всем диапазоне нагрузок снижение потребляемой из сети реактивной мощности и улучшение коэффициента мощности, снижение полной мощности, потребляемой из сети, при той же нагрузке на валу, что и у обычной серийной машины. В силу этих особенностей авторы этот двигатель назвали асинхронным энергосберегающим (АЭД).
АЭД отличается в конструктивном отношении от обычного АД тем, что в зубцах магнитопровода ротора выполнены углубления, в которые вмонтированы постоянные магниты (ПМ). Число магнитов соответствует числу полюсов двигателя, число магнитов под полюсом может быть равно единице либо числу пазов на полюс и фазу. Полюса пар магнитов, обращенные к воздушному зазору, должны быть разноименными. Ширина и высота ПМ не должны превышать ширину и высоту зубца магнитопровода ротора. Длина магнита зависит от его удельной магнитной энергии и может изменяться от долей до полной длины зубца. ПМ могут иметь оболочку из алюминиевой или медной фольги, которая снижает влияние размагничивающего действия рабочего поля двигателя. Однако для магнитов с высокими удельными энергиями необходимости в использовании оболочки нет.
Пуск двигателя и его последующая работа на естественной характеристике происходят в обычном асинхронном режиме. Поле ПМ пересекает обмотку статора и наводит в ней ЭДС, направленную встречно по отношению к напряжению сети и создающую в обмотке статора реактивную составляющую тока, имеющую опережающий характер. Это приводит к снижению потребляемой двигателем из сети реактивной и, следовательно, полной мощностей при той же полезной мощности на валу, что и у обычного АД.
Характеристики АЭД существенно зависят от энергии постоянных магнитов. Очевидно, что при весьма малых её значениях АЭД превращается в обычный ТАД, тогда как при другом предельном случае АЭД превращается в обычный синхронный двигатель (СД) с постоянными магнитами.
Таким образом, АЭД занимает промежуточное положение между обычным ТАД и СД с постоянными магнитами. АЭД можно представить как совмещенную электрическую машину, состоящую из АД и синхронного генератора, который выполняет функцию внутреннего источника реактивной мощности. При этом статор является общим для асинхронной и синхронной машин.
В режиме XX АЭД в сравнении с серийным двигателем снижает потребляемую полную и реактивную мощности. Во всем диапазоне нагрузок ток статора АЭД меньше тока статора серийного АД в среднем на 24-25%.
Недостатком АЭД является некоторое снижение критического момента двигателя. Это обстоятельство несколько сужает область применения АЭД. Однако АЭД могут быть использованы для электроприводов механизмов с так называемой, вентиляторной характеристикой: вентиляторы, центробежные насосы, компрессоры и т.д. Рассмотренный АЭД, несмотря на имеющиеся преимущества, в практике пока не нашел должного применения из-за технологических проблем размещения и установки постоянных магнитов на роторе.
Асинхронный двигатель с распределенными в магнитной системе компенсирующими конденсаторами. В связи с тем, что сердечник статора асинхронных машин имеет слоистую структуру, было предложено использовать элементы конструкции двигателя в качестве встроенных компенсирующих конденсаторов [63].
Исследования показали, что предложенное техническое решение позволяет компенсировать не более двух процентов реактивной мощности, потребляемой машиной в номинальном режиме. Это не позволяет рекомендовать рассмотренный способ компенсации реактивной мощности для промышленного внедрения.
Известны энергосберегающие ТАД с увеличенной массой активных материалов - стали и меди. Это асинхронные двигатели иностранных фирм, например, AEG, Сименс (Германия), ABB, Гоулд (США). Энергетический КПД таких асинхронных двигателей составляет 72-84% и достигается за счет увеличения массы электротехнической стали на 30-35%, меди на 20-25%, алюминия на 10-15% [71].
Обзор рассмотренных технических решений по повышению коэффициента мощности ТАД показывает: 1. Использование для повышения коэффициента мощности асинхронных двигателей специальных электромеханических компенсирующих устройств, механически соединенных с валом двигателя, в настоящее время не рациональны из-за усложнения и снижения надежности системы. 2. Применение постоянных магнитов, встроенных в ротор асинхронного двигателя, позволяют лишь частично компенсировать реактивную мощность. Кроме того, асинхронный двигатель уменьшает свой максимальный вращающий момент, что является нежелательным. Реконструировать уже изготовленные роторы асинхронных двигателей путем «внедрения» в них постоянных магнитов возможно только в специализированных электромашиностроительных предприятиях и практически невозможно в обычных электроремонтных предприятиях. 3. Компенсация реактивной мощности асинхронных двигателей путем внесения распределенных в магнитной системе и обмоточных проводах емкостных элементов не позволяет полностью компенсировать реактивную мощность индуктивного характера. Кроме того, в настоящее время отсутствует технология изготовления распределенных в магнитной системе конденсаторов. Поэтому такой двигатель невозможно создать путем реконструкции традиционных асинхронных двигателей в условиях существующих электромашиностроительных и ремонтных предприятий.
Экспериментальное исследование нерегулируемых электроприводов насосных агрегатов
Реконструированный двигатель для насосного агрегата по своим энергетическим характеристикам превосходит традиционный асинхронный двигатель. Обмоточные данные, технология реконструкции, компьютерная программа для перерасчета ТАД в ЭАД в условиях электроремонтного цеха переданы в службу главного энергетика ЗАО «ГОП» группы компаний ОАО «ММК».
Традиционные двигатели (4А112М2УЗ, АИР 180S 2УЗ) насосных агрегатов теплового пункта треста «Теплофикация» были реконструированы по рассчитанным обмоточным данным в электроремонтном цехе МП «Электротранспорт» г. Магнитогорска. Обмоточные данные, технология реконструкции, компьютерная программа для перерасчета ТАД в ЭАД в условиях электроремонтного цеха переданы в МП «Электротранспорт». Протоколы испытаний двигателей приведены в Приложении. В данной части диссертационной работы разработаны, обоснованы и исследованы: 1) электрическая схема замещения ЭАД, отличающаяся от схемы замещения ТАД наличием дополнительной электрической ветви, соответствующей компенсационной обмотке статора и компенсирующего конденсатора; 2) математические модели линейной токовой и тепловой нагрузок рабочей и компенсационной обмоток статора ЭАД, отличающиеся от известных моделей учетом активных и реактивных составляющих токов рабочей и компенсационной обмоток; 3) зависимости для определения емкости компенсирующего конденсатора в функции от электромагнитных параметров и нагрузок ЭАД, отличающиеся от известных учетом всех параметров электрической схемы замещения ЭАД, нагрузки, приложенной к валу двигателя, частоты тока и напряжения питания; 4) зависимости по определению технически оптимального соотношения параметров намагничивающей и компенсирующей ветвей ЭАД, позволяющие создать двигатель с наилучшими энергетическими показателями; 5) методика электромагнитного расчета для создания ЭАД, отличающаяся от известной новыми критерием и последовательностью вычислительных действий, направленных на минимизацию реактивного тока и получение наибольших коэффициентов мощности и полезного действия двигателя путем определения оптимального соотношения МДС ферромагнитного сердечника и компенсационной обмотки статора; в методике электромагнитного расчета используются: математические модели линейной токовой и тепловой нагрузок рабочей и компенсационной обмоток статора ЭАД; зависимости для определения емкости компенсирующего конденсатора в функции от электромагнитных параметров и нагрузок ЭАД; зависимости по определению технически оптимального соотношения параметров намагничивающей и компенсирующей ветвей ЭАД; электрическая схема замещения ЭАД; 6) электромагнитные расчеты асинхронных двигателей для насосных агрегатов. Целью данной главы диссертационной работы является сравнительная оценка энергосберегающих свойств регулируемых и нерегулируемых электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: 1 Разработка математического описания установившихся режимов нагрузок и электропотребления нерегулируемых и регулируемых электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД и ТАД. 2 Разработка методики и алгоритма компьютерного моделирования установившихся режимов работы электроприводов на основе ТАД и ЭАД, ПЧ-ТАД и ПЧ-ЭАД насосных агрегатов. 3 Моделирование электропотребления для заданного графика подачи жидкости насосных агрегатов. 4 Анализ результатов моделирования. Сравнительная оценка энергосберегающих свойств электроприводов, созданных на основе ТАД и ЭАД, ПЧ-ТАД и ПЧ- ЭАД насосных агрегатов. Режим нагрузок насосного агрегата определяется графиком подачи жидкости в функции времени. График подачи жидкости, как правило, неравномерный и может быть представлен зависимостью СЫО.
Математические зависимости, связывающие друг с другом главные технологические параметры перекачивающей жидкости (подача СЬ напор Н, гидравлические сопротивления насоса и трубопровода Б, 8Т, КПД и др.) и мощность насоса, в настоящее время известны, опубликованы и применяются в исследованиях и практике создания насосных агрегатов и режимов управления подачей жидкости [16].Вместе с тем, как было показано в первой главе диссертационной работы, КПД насоса зависит и от подачи и от частоты вращения его рабочего колеса. При расчетах мощности и исследованиях электропотребления насоса в нерегулируемых и регулируемых режимах работы многие исследователи принимают КПД насоса и электродвигателя равным максимальному значению, соответствующему номинальной частоте вращения, при изменяющихся подаче и частоте вращения рабочего колеса насоса [20, 21]. В результате этого мощность насоса, а следовательно и мощность его электропривода получаются заниженными.
При проектировании электропривода, вычисленная мощность электродвигателя корректируется в сторону увеличения коэффициентом запаса к=1,1-4,4 и выбирается двигатель ближайший больший из ряда мощностей электрических машин [88]. Поэтому большинство электроприводов насосов при реальных нагрузках (графиках подачи жидкости) работают с неоптимальными рабочими характеристиками, а именно - с повышенным потреблением тока, пониженным КПД и коэффициентом мощности cos(p, т.е. - с низкими энергетическими КПД, равным произведению Лэн=Л coscp. Например, асинхронные электроприводы современной насосной установки российской фирмы LINAS марки АНУЗ АЦМС90-4-2 с подачей Q=50- -240 м /ч, напором Н= 102- 40 м, оснащенные асинхронными двигателями мощностью Р2н=30 кВт, п2„=2900 об/мин в нерегулируемом режиме при минимальной подаче Q=50 м3/ч, что соответствует загрузке 0,25Р2Н, имеют т=82 %, cos(p=0,66. То есть, их энергетический КПД равен тэн=82-0,66=54,12 %. При работе в регулируемом режиме с частотой вращения (0,65-Ю,8)п2н=1905-К2350 об/мин эти же показатели имеют значения: т=71 %, cos(p=0,52, тэп=71-0,52=36,9 %. Цифры свидетельствуют о сравнительно невысокой энергоэффективности электроприводов насосных установок малой и средней мощности.
Регулируемые электроприводы, выполненные по системе ПЧ-АД, для насосных агрегатов большой мощности (Р2н=250 кВт, 1н=440 А), например, для насосного агрегата №3 г. Северска, рабочие характеристики которого приведенные на рисунке 3.1 показывают лучшие энергетические показатели регулируемого агрегата [16]. Например, значения КПД агрегата в рабочем диапазоне водоподачи с учетом потерь в насосе, электродвигателе и ПЧ лежат в пределах 70- -80 %, коэффициент мощности coscp=0,88-K),9, а энергетический КПД тэн=60 -70 %.
