Введение к работе
Актуальность темы
Задача внедрения новых, ресурсе- и энергосберегающих технологий сегодня, в условиях энергетического кризиса, выходит на первый план. К крупным потребителям электроэнергии на промышленных предприятиях относятся турбомашины - рабочие машины с вентиляторной характеристикой. К этим машинам в первую очередь относятся центробежные насосы, вентиляторы и турбокомпрессоры. Применительно к турбомашинам возможность снизить потребление электроэнергии заключается в эффективных способах регулирования их производительности. Задача регулирования производительности турбомашин наиболее эффективно решается при помощи регулируемого электропривода. Наиболее распространенным электроприводом для турбомашин является электропривод с асинхронным двигателем с короткозамкнугым ротором. Этот тип электропривода получил большое распространение благодаря таким преимуществам как низкая стоимость и высокая надежность, а также относительная простота обслуживания.
Несмотря на широкое внедрение регулируемого электропривода в промышленности и коммунальном хозяйстве всякий раз возникает вопрос об эффективности его применения для конкретного объекта. Дело в том, что энергетические показатели регулируемого электропривода зависят от режима работы и от выбранного способа регулирования частоты вращения. Задача осложняется тем обстоятельством, что энергетические характеристики центробежных насосов при регулировании не остаются постоянными, а изменяются по сложным законам.
Среди множества систем регулируемого электропривода переменного тока наибольшее распространение получили две: параметрический н частотный электропривод. Параметрический электропривод (тиристорний электропривод с фазовым управлением) применяется давно и его преимущества и недостатки хорошо известны. Однако целесообразность его применения как электропривода для регулирования производительности центробежных машин до сих пор является предметом обсуждения на научных семинарах и конференциях. Частотный электропривод на сегодняшний день самый совершенный вид регулируемого электропривода. Современная элементная база, применение передовых технологий позволили получить требуемое качество управления и высокие энергетические показатели частотного электропривода. Электропривод с фазовым управлением уступает по своим характеристикам частотно-регулируемым электроприводам, но благодаря стоимостным показателям, в ряде случаев, может успешно применяться для турбомашин.
— 4 —
В диссертационной работе проводится детальный анализ энергетических характеристик насосных агрегатов с параметрическим и частотным электроприводом. Рассматриваются напорно-энергетические характеристики центробежных насосов (основной тип турбомашин) и совместная работа регулируемого электропривода и центробежного насоса. Дается сравнительный анализ частотно-регулируемого электропривода и регулируемого параметрического электропривода. Вышеперечисленные особенности подчеркивают актуальность диссертационной работы, ее направленность к современным проблемам, когда на первый план выступают вопросы экономической эффективности новой техники.
Большой вклад в исследование применения регулируемого электропривода для турбомашин сделан учеными Н.Ф. Ильинским, Г.Б. Онищенко, М.Г. Юньковым, Б.С. Лезновым, Н.П. Кутлсром.
Цель работы
Цель диссертационной работы состоит в том, чтобы на основе анализа энергетических показателей электропривода центробежных насосов разработать метод расчета экономического эффекта от внедрения регулируемого электропривода и обосновать Еыбор наиболее рационального типа электропривода.
Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:
анализ основных законов регулирования производительности центробежных насосов и графиков работы насосов;
разработка алгоритма расчета напорно-энергетических характеристик центробежных насосов при регулировании частоты вращения;
разработка математической модели для расчета установившихся режимов работы асинхронного электродвигателя как с параметрическим, так и с частотным регулированием;
анализ влияния эффекта вытеснения тока в роторе на энергетические показатели электродвигателя;
разработка математической модели для расчета динамических режимов работы электродвигателя;
анализ энергетических показателей параметрического электропривода с тиристорним регулятором напряжения;
анализ энергетических характеристик частотного электропривода;
- разработка метода расчета экономического эффекта от внедрения регулируемого
электропривода.
Методы и средства выполнения исследований
Объектами исследования являлись электроприводы переменного тока с современными системами управления. Анализ энергетических показателей производился на ПЭВМ. Для моделирования и анализа режимов работы центробежных насосоз использовались методы матричной алгебры и аппроксимация реальных характеристик центробежных насосов полиномами Лаграяжа второго порядка. Моделировании статических режимов работы электродвигателя осуществлялось на основе Т - образной схемы замещения, при учете эффекта вытеснения тока для нахождения параметров двухконтурной схемы замещения ротора применялся метод решения систем линейных уравнений с ограничениями, а именно метод сопряженных градиентов. При моделировании динамических режимов работы электропривода, а также при моделировании системы управления частотным преобразователям использовался математический аппарат представления переменных трехфазной системы в прямоугольной неподвижной системе координат, что позволило сократить на 1/3 количество дифференциальных уравнений. При переходе от трехфазной системы х двухфазной и записи основных расчетных уравнений использовались положения теории обобщенного электромеханического преобразователя. Численное интегрирование системы дифференциальных уравнений осуществлялось при помощи алгоритма последовательного типа, разработанного А.В. Башари-ным. При разработке модели системы управления частотным преобразователем использовались положения теории векторного управления и разработанный специалистами фирмы ABB (3511.1.111011-:) метод прямого управления моментом (DTC).
Научная новизна
разработай алгоритм расчета параметров рабочего режима центробежных насосов, учитывающий сложные зависимости к.п.д. от подачи насоса;
проанализированы энергетические характеристики параметрического и частотного электроприводов с учетом особенностей алгоритмов управления;
разработан метод расчета экономического эффекта от внедрения регулируемого электропривода, позволяющий проводить расчет при любом способе регулирования производительности центробежных насосов;
экономически обоснозана область применения параметрического и частотного электропривода для регулирования производительности центробежных насосов.
—б—
Практическая ценность
Практическая ценность работы заключается в создании комплекса программных средств, предназначенных для ан&тяза энергетических показателей регулируемого электропривода.
Разработан метод расчета экономической эффективности применения регулируемого электропривода для центробежных насосов.
„Обоснована область применения параметрического и частотного электроприводов (при существующем в настоящее время соотношении цея на параметрический и частотный электропривод).
Создана компьютерная программа PumpDrive для расчета напорно-экергегических характеристик насоса, независимо от способа регулирования производительности. Программа существенно упрощает расчет экономического эффекта и является необходимым дополнением к разработанному методу.
Метод расчета экономической эффективности внедрен в практику проектных работ АО "Электропривод".
На зашпту выносятся следующие положения
алгоритм расчета параметров рабочего режима центробежных насосов, учитывающий сложные зависимости к.пл насоса от подачн и позволяющий проводить расчеты для любых режимов независимо от способа регулирования производительности;
математическая модель асинхронного электродвигателя для расчета установившихся режимов, учитывающая эффект вытеснения тока в роторе электродвигателя и позволяющая проводить расчеты энергетических показателей параметрического и частотного электроприводов;
результаты моделирования параметрического электропривода, учитывающие алгоритм работы тиристорного регулятора напряжения и несинусоидальность приложенного к обмотке статора напряжения, которые позволяют уточнить энергетические показатели параметрического электропривода, полученные из расчета по уравнениям статики;
результаты моделирования частотного электропривода с управлением по принципу Direct Torque Control, позволяющие уточнить энергетические показатели частотного электропривода, полученные из расчета по уравнениям статики;
метод расчета экономического эффекта от внедрения регулируемого электропривода, основанный на проведенных s диссертационной работе исследованиях, позволяющий проводить расчет при любом способе регулирования производительности центробежных насосов;
- экономически целесообразная область применения параметрического н частотного электропривода для регулирования производительности центробежных насосов.
Достоверность научных положений и выводов
Обоснованность научных положений, содержащихся в работе, подтверждается результатами цифрового моделирования, высокой степенью совпадения результатов расчета установившихся режимов работы электропривода, полученных двумя различными способами (по уравнениям статики и динамики).
Достоверность алгоритма расчета параметров рабочего режима центробежных насосов подтверждены совпадением расчетных характеристик и экспериментальных характеристик, приводимых в каталогах предприятиями - изготовителями.
Апробапня работы
Основные положения и результаты работы докладывались н обсуждались на заседании секции Ученого Совета АО "Электропривод", научных семинарах кафедры Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности Российского Государственного Университета Нефти и Газа им. И.М. Губкина.
Публикация
По основным положениям и результатам работы опубликованы четыре печатные работы, из них три статьи и тезисы доклада на П Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности" (Москва 1997 г.).
Структура и объем диссертации
