Энергосберегающий асинхронный электропривод насосов системы водоснабжения животноводческих комплексов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, кандидат наук Каун Олег Юрьевич

• Каун Олег Юрьевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Каун Олег Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПРИМЕНЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НАСОСОВ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

1.1 Системы водоснабжения, используемые на животноводческих комплексах совместно с энергосберегающими электроприводами насосных агрегатов

1.2 Системы автопоения КРС и автоматизации насосных агрегатов

1.3 Анализ энергосберегающих способов регулирования частоты вращения насосных агрегатов системы водоснабжения

1.3.1 Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

1.3.2 Регулируемый асинхронный электропривод на базе вентильных преобразователей частоты

Цели и задачи исследования

2. РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НАСОСОВ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ КОМПЛЕКСОВ

2.1 Постановка задачи по снижению потребления электроэнергии насосами системы водоснабжения

2.2 Математическая модель системы «асинхронный электропривод -преобразователь частоты»

2.3 Разработка и расчет параметров компьютерной модели системы управления преобразователем частоты асинхронным электроприводом насоса

2.4 Адаптированный способ управления преобразователем частоты для прямоточной системы водоснабжения

Выводы по главе

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО

ЭЛЕКТРОПРИВОДА НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ

3.1 Программа и методика проведения экспериментальных исследований

3.2 Методика оценки воспроизводимости экспериментальных данных 69 4.ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

4.1 Обработка экспериментальных данных

5. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НАСОСОВ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

5.1 Расчет первоначальных затрат для разработки и исследования ШИМ-преобразователя

5.2 Расчет стоимости изготовления ШИМ-преобразователя в производстве

5.3 Прогнозируемый расчет энергозатрат на обеспечение водоснабжения животноводческой фермы КРС на 1000 коров

5.4 Расчет экономической эффективности на капитальные затраты

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергосберегающий асинхронный электропривод насосов системы водоснабжения животноводческих комплексов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Энергосбережение с каждым годом становится все более актуальной проблемой. Ограниченность энергетических ресурсов, высокая стоимость энергии, негативное влияние на окружающую среду, связанные с её производством, - все эти факторы невольно наводят на мысль, что разумней снижать потребление энергии, нежели постоянно увеличивать её производство, а значит, и количество проблем.

Уменьшения потребления электроэнергии можно добиться за счет снижения потерь энергии, которые появляются в результате некачественного электроснабжения, аварийных ситуаций и т.д. До 90% всех потерь в электроприводе приходится именно на сферу электропотребления, оставшиеся 10% электроэнергии теряется при передаче электроэнергии [46]. Из данного утверждения следует, что для наибольшего энергосбережения нужно рассматривать именно сферу энергопотребления, как наиболее энергозатратную.

Одним из путей решения данного вопроса в сельском хозяйстве является применение энергосберегающих электроприводов, которые обеспечивают выполнение требований технологического процесса и улучшение энергетических показателей электропривода.

Особое внимание следует уделить энергосбережению в электроприводах турбомеханизмов, к которым относятся и центробежные насосы для перекачки воды и других жидкостей, так как они потребляют до 25% всей вырабатываемой электроэнергии.

Создание энергосберегающих электроприводов осуществляется применением ШИМ-преобразователей в областях, где требуется регулировать частоту вращения электродвигателя в процессе работы. Данный способ энергосбережения является перспективным направлением уменьшения потребления электроэнергии с улучшением энергетических характеристик самого электропривода.

Степень разработанности темы. Вопросами регулирования и защиты электропривода насосов занимались такие ученые, как М.П. Костенко [76,77], А.М. Мусин [93], А.А. Булгаков [13], И.Я. Браславский [11], В.Н. Поляков [105], В.В. Москаленко [91], Н.Ф. Ильинский [46], А.П. Гришин [34], В.Н. Ванурин [17], С.В. Оськин [97], М.А. Таранов [119], И.В. Атанов, А.В. Ефанов, О.В. Григораш и др. Вопросами водообеспечения занимались такие ученые как А.А. Поцелуев, Н.Н. Аврамов, В.В. Сафронов, А. К. Сокольский и др. Они внесли значительный вклад в разработку, развитие и применение устройств для регулирования электропривода насосных агрегатов в сельскохозяйственном производстве.

Процесс водоснабжения является энергоемким процессом, так как в насосных агрегатах, используемых для водоснабжения, применяется асинхронный, чаще всего нерегулируемый электропривод. Данный электропривод создает чрезмерно большой напор, который не нужен в текущий момент, таким образом, насосный агрегат начинает потреблять чрезмерно большое количество электроэнергии. Чрезмерно большой напор создает гидравлические удары при пуске, разрывы труб, излишний шум и т. д. за счет увеличения утечек воды. Так как в системе энергопотребления ключевым потребителем электроэнергии считается электропривод, в частности асинхронный, то на него и стоит обратить основное внимание.

С одной стороны, в структуре электроприводов до 80% приходится на электропривод насосов и вентиляторов. С другой стороны, поение животных является одним из важных процессов в животноводстве, так как играет огромную роль в нормальном развитии и продуктивности животных. Следовательно, именно в этой сфере существует очень большой запас энергосбережения.

На данный момент животноводство требует наибольшей автоматизации технологических процессов, позволяющих человеку только следить за правильностью выполнения отдельных операций и корректировки с пульта управления диспетчера, но не внедряться в сам процесс. Это позволит

уменьшить затраты труда на человека и финансовые затраты на оплату электроэнергии.

Цель исследования - обоснование режимов работы адаптивного способа управления преобразователем частоты, способствующего сокращению потребления электроэнергии насосными агрегатами системы водоснабжения для животноводства.

Объект исследования - электропривод насосов системы водоснабжения для животноводства.

Предмет исследования: закономерность изменения частоты вращения асинхронного электродвигателя от изменения величины фазного тока.

Методы исследования. Применены методы математической статистики, программирование, прикладное программное обеспечение общего назначения и специализированные математические пакеты (MATLAB, MS Excel и др.).

Методическая база. Решение поставленных задач произведено на основе имитационного компьютерного моделирования адаптивного способа управления преобразователем частоты, разработки математических моделей процессов в ШИМ-преобразователе с использованием методов теории систем автоматического управления.

Научную новизну работы составляют:

- адаптивный способ управления преобразователем частоты для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя насосного агрегата за счет поддержания наименьшего тока в обмотке статора;

- компьютерная модель управления ШИМ-преобразователем для насосного агрегата.

Рабочей гипотезой является уменьшение потребления электроэнергии с поддержанием постоянного давления в трубопроводе системы водоснабжения за счет применения адаптивного способа управления ШИМ-преобразователями насосных агрегатов системы водоснабжения.

Научной гипотезой работы является решение задачи снижения потребления электроэнергии путем исследования адаптивного способа управления в ШИМ-преобразователей, используемых для насосных агрегатов в системах водоснабжения животноводческих комплексов.

Теоретическую и практическую значимость работы составляют:

- полупроводниковый трехфазный регулятор напряжения с ШИМ для насосов системы водоснабжения (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012617187);

- математическая модель управления ШИМ-преобразователем для насосного агрегата;

- структурная схема регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя;

- графические зависимости параметров электропривода при адаптивном регулировании;

На защиту выносятся:

- адаптивный способ управления преобразователем частоты для регулирования частоты вращения электропривода насоса за счет поддержания минимального тока в обмотке статора;

- компьютерная модель управления ШИМ-преобразователем для насосного агрегата;

- структурная схема регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя;

- графические зависимости параметров электропривода при адаптивном регулировании;

Реализация результатов исследования. Результаты работы были внедрены в учебный процесс АЧИИ ФГБОУ ВО Донской ГАУ в г. Зерногра-де и в крестьянско-фермерском хозяйстве Зерноградского района (ИП глава КФХ В. П. Турилин).

Апробация и публикация результатов работы. Основные результаты диссертации докладывались на конференциях в АЧИИ ФГБОУ ВО Донской

ГАУ (г. Зерноград) в 2012-2017 годах, СКНИИМЭСХ (г. Зерноград) в 20122013 году, СтГАУ (г. Ставрополь) в 2011-2012 годах, ТДАТУ (г. Мелитополь, Украина) в 2012 году, ВИЭСХ (г. Москва) в 2014 году, конференциях в рамках программы «УМНИК-2011» и «УМНИК-2012» года и проведения Молодежных инновационных конвентов 2014-2015 годов в г. Ростове-на-Дону, участия на Всероссийском молодежном образовательном форуме «Се-лигер-2014».

По результатам исследования диссертации опубликовано 19 научных работ, 3 в изданиях из перечня ВАК.

Структура, и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, заключение, список литературы из 154 источников, приложений. Работа изложена на 118 странице машинописного текста.

1 ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПРИМЕНЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НАСОСОВ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

1.1 Системы водоснабжения, используемые на животноводческих комплексах совместно с энергосберегающими электроприводами насосных агрегатов

Вода - основа жизнедеятельности всех живых организмов, которая необходима для основных биохимических процессов обмена веществ организма. Для производства 1 литра молока корова в среднем потребляет 4... 5 литров воды. Общее водопотребление КРС зависит как от массы конкретного животного и его продуктивности, так и от температуры воздуха в помещении [2,106, 111].

В [72] указано, что для КРС предпочтительнее оказывает влияние поение 12-21 раз в сутки маленькими объемами. После доения животное употребляет около 1/3 части от суточной потребности. Это приводит к неравномерности потребления воды в течение суток (рисунок 1.1) [94].

¿¡у___________

0,5 0,5 0,25

о г 1 б » Ю « м 'в го гг

1 - среднечасовой расход воды, полученный по экспериментальным данным;

2 - среднечасовой расход воды, полученный по результатам моделирования Рисунок 1.1 - График потребления воды в системе автопоения животноводческого помещения на 200 голов КРС

В большинстве животноводческих комплексов для систем водоснабжения применяют нерегулируемый асинхронный электропривод, который выбирается на максимальный расход воды, и, в виду отсутствия регулировок, потребляет максимальное количество электроэнергии в часы снижения потребления [61].

При недостатке воды в птицеводстве погибает также большое количество поголовья. Поэтому вопрос качественного водоснабжения актуален для всех видов животноводческих комплексов.

Мощность двигателя для привода насоса

р _ к3у <зн ^и ц ^

Vн Уп ' ( .)

где к3 - коэффициент запаса, о.е.;

-5

у - удельная плотность перекачиваемой жидкости, Н/м ;

-5

@ н - номинальная подача, м/с;

Н н - номинальный напор, м;

т] н - КПД насоса, о.е.;

т] п - КПД привода насоса, о.е.

Из формулы (1.1) следует, что мощность прямо пропорционально зависит от напора и подачи жидкости.

Применение регулируемого электропривода позволит сократить потребление электроэнергии за счет поддержания производительности и напора, необходимых в каждый текущий момент времени. Поэтому требуется дальнейшее совершенствование процесса автоматизации поения на животноводческой ферме.

Для центробежных насосов производительность пропорциональна угловой скорости, напор - квадрату угловой скорости, а мощность - кубу, поэтому при регулировании скорости необходимо регулирование частоты вращения электропривода насосного агрегата. Из этого следует, что можно добиться значительного уменьшения затрат потребления электроэнергии и воды.

Система водоснабжения является совокупностью машин, оборудования, а также инженерных сооружений, которые предназначены для отбора воды из источников, подъема ее на высоту, очистки, дезинфекции, хранения и подачи к местам потребления [107].

Различные потребители расходуют воду на многие нужды, основные из которых можно выделить следующие:

- хозяйственно-питьевые нужды;

- производственные цели;

- пожаротушение.

Системы водоснабжения классифицируются по различным признакам, представленным на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Классификация систем водоснабжения

Рассмотрим подробнее системы водоснабжения по способу использования воды.

В системе башенного водоснабжения (рисунок 1.3 а) вода из открытого источника при помощи насосного агрегата подается в водонапорную башню, из которой под действием силы тяжести подаётся в основной магистральный водопровод, который подводит ее всем потребителям [111].

б в Рисунок 1.3 - а - система башенного водоснабжения; б - система резервуарного водоснабжения: в - система прямоточного водоснабжения: 1 - водоем; 2- насосная станция; 3 - грунт; 4 - водонапорная башня;

5 - резервуар; 6 - промежуточный насос.

Недостатком башенной системы служит наличие водонапорной башни, которая предполагает за собой дополнительные затраты на ее монтаж, процесс эксплуатации, затраты на обслуживание и ремонт. Также башенные системы перемерзают в зимний период, а для их утепления создают систему обогрева, что удорожает процесс водоснабжения животноводческой фермы. В зимний период происходит замерзание башни, при котором нарушается

подача воды потребителям, что недопустимо, особенно на животноводческой ферме. Такая авария приводит к серьезным финансовым затратам.

В системе резервуарного водоснабжения (рисунок 3.1 б) вода из источника при помощи насосного агрегата закачивается в резервуар из источника [2].

Уровень воды в резервуаре контролируется при помощи датчиков уровня, что используется и в системах башенного водоснабжения. Формирование давления в магистральном трубопроводе осуществляется промежуточным насосом, который выбирается так, чтобы обеспечить нормальное водоснабжение в часы наибольшего разбора воды.

Основной недостаток данной системы состоит в том, что в часы минимального разбора воды насосный агрегат будет перерасходовать электроэнергию не только из-за того, что его мощность подбирается с учетом наибольшего водопотребления, но и из-за частых коммутаций, при которых увеличивается число аварийных ситуаций и уменьшается срок службы оборудования.

Система прямоточного водоснабжения (рисунок 3.1 в) разрабатывается на основе любой из двух вышеперечисленных систем сельскохозяйственного водоснабжения. Ее отличие заключается в том, что давление в магистральном трубопроводе создается самим насосным агрегатом, а дополнительная емкость (водонапорная башня или резервуар) применяется лишь для пожарных целей. Давление в системе водоснабжения поддерживается за счет датчиков давления, установленных в системе водоснабжения. Для того, чтобы подать воду в нужном объеме, всем потребителям необходимо датчики давления устанавливать в начале магистрального трубопровода и у последнего потребителя [111].

Система прямоточного водоснабжения является на сегодняшний день наиболее актуальной и удобной для потребителя, благодаря тому, что в магистральном водопроводе всегда поддерживается стабильное давление даже у самого удаленного потребителя.

Распространение прямоточных систем способствовало созданию ШИМ-преобразователей, которые устанавливают совместно с асинхронным электроприводом насосного агрегата.

Для качественного водоснабжения КРС необходимо рассмотреть системы автопоения для животных КРС.

1.2Системы автопоения КРС и автоматизации насосных агрегатов

При привязном и беспривязном содержании животных [90] для сбережения воды и электроэнергии применяются системы поения различных конструкций:

- уровневая система поения, которая предназначена для КРС с привязным содержанием;

- индивидуальные автоматические поилки, которые предназначены для КРС с привязным содержанием;

- групповые поилки используются для беспривязного содержания КРС.

Уровневая система поения состоит из:

- уровневых поилок на два стойловых места по 12 литров из листового материала, которые являются травмобезопасными;

- основного центрального водопровода, соединяющего все поилки по принципу сообщающихся сосудов;

- расширительного бака из листового металла вместимостью 140 литров с поплавковыми клапанами, обладающими высокой пропускной способностью;

- сливных клапанов, для быстрого слива воды.

Достоинства уровневой системы поения:

- отсутствует клапанный механизм в каждой поилке;

- не содержит подвижных, резиновых и быстроизнашиваемых деталей;

- система поения работает полностью в автоматическом режиме;

- удовлетворяет в полной мере всем зооветеринарным и зоогигиениче-ским требованиям;

- срок эксплуатации определяется только коррозийной стойкостью магистрального трубопровода и может достигать 20-30 лет;

- по окончании монтажа стойловое оборудование покрывается антикоррозийной краской, устойчивой к действию агрессивной среды коровника.

В качестве систем автоматизации процесса водоснабжения животноводческих комплексов используют системы типа СУЗ, Каскад, ШЭП, которые в качестве управления используют датчики уровня при башенном или резервуарном водоснабжении [10].

Станция управления ШЭП-5802 (рисунок 1.4) применяется для автоматического управления центробежными скважинными насосами для водоподъёма с погружными электродвигателями мощностью 1.. .11 кВт с защитой от следующих аварийных режимов: при перегрузке по току более 1,3 номинального значения, при симметричных коротких замыканиях, при работе электродвигателя на двух фазах.

Рисунок 1.4 - Принципиальная электрическая схема станции управления

ШЭП-5802

Станция управления СУЗ (рисунок 1.5) применяется для автоматического дистанционного и местного управления трехфазными электродвигате-

лями погружных насосов и защиты их от перегрузок по току, неполнофазно-го режима работы и от сухого хода [10].

При работе в автоматическом режиме СУЗ обеспечивает управление по сигналам от датчиков верхнего и нижнего уровней, установленных внутри резервуара.

В дистанционном режиме станция обеспечивает управление по сигналам пульта дистанционного управления переключателем типа тумблер.

Рисунок 1.5 - Принципиальная электрическая схема станции управления

СУЗ от 10 до 40 А

Достоинства станции СУЗ:

- защита от перегрузки по току;

- контроль за наличием воды в скважине;

- защита от неполнофазного режима работы;

- восстановление режима работы после аварийного отключения, при подаче напряжения.

Станция ШЭТ (рисунок 1.6) управляет насосом при помощи телемеханики. Для этого применяют реле приема телесигналов управления, контакты КУ2 и включают, и отключают насос. Параллельно контактам можно установить кнопочные станции для дистанционного включения и отключения насоса.

Рисунок 1.6 - Принципиальная электрическая схема станции управления

ШЭТ

На основании рассмотренных устройств автоматического регулирования насоса при помощи датчиков уровня можно сделать вывод, что наиболее перспективными являются системы регулирования электропривода посредством регулирования частоты вращения электродвигателя. Таким образом, имеется возможность подбирать параметры наиболее энергосберегающего режима работы насоса.

В системах сельскохозяйственного водоснабжения гидроаккумулятор не применяют в связи с удорожанием оборудования системы водоснабжения и с большой протяженностью системы водоснабжения.

1.3 Анализ энергосберегающих способов регулирования частоты вращения насосных агрегатов системы водоснабжения

В качестве электропривода насосных агрегатов в системах водоснабжения применяют асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, как наиболее надежные и простые в изготовлении. Основным недостатком АЭД с КЗ ротором является сложность регулирования частоты вращения. [30, 84, 87]

Регулирование частоты вращения асинхронного электропривода можно осуществить как электрическими, так и механическими способами (рисунок 1.7).

Механические способы [118] регулирования электропривода осуществляются при помощи изменения передаточного числа механической передачи, механических вариаторов и т.п.

При регулировании скорости механическим способом отсутствует плавность регулирования, да и техническая реализация регулирования относительно сложна и ненадежна: низкий КПД, малая долговечность трущихся деталей, сложности в применении, обслуживании, эксплуатации, низкое качество и диапазон регулирования, неэкономичность и т.д.

Благодаря этому при разработке регулируемого электропривода насоса использование механических способов не очень целесообразно и поэтому применяют более перспективные - электрические способы регулирования [118].

Электрические способы регулирования заключаются в изменении частоты вращения электродвигателя при помощи устройства управления. Эти способы являются наиболее предпочтительными, благодаря чему позволяют снизить металлоемкость технологических установок с электроприводами [118].

Регулирование частоты вращения асинхронных электродвигателей производится при помощи изменения параметров питающей электродвигатель сети или регулировкой параметров самого электродвигателя.

Рисунок 1.7 - Способы регулирования частоты вращения асинхронного

электропривода

Частота вращения ротора асинхронного электродвигателя [16] определяется из выражения

П = ^-о-* (1.2)

где f - частота переменного тока питающей сети, Гц; р - число пар полюсов электродвигателя; ^ - скольжение электродвигателя, о.е.

Из формулы (1.3) можно сделать вывод, что для регулирования частоты вращения можно осуществить изменение следующих параметров:

- скольжения;

- пар полюсов;

- частоты питающей сети.

Также частоту вращения ротора можно регулировать изменением напряжения питающей сети.

1.3.1 Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Регулирование частоты вращения электродвигателя при помощи изменения скольжения [23] осуществляется введением активного сопротивления в цепь электродвигателя с фазным ротором.

Данный способ обладает следующими недостатками:

1) изменяется механическая характеристика, снижается ее жесткость, в результате электродвигатель может потерять устойчивость во время работы;

2) диапазон регулирования частоты вращения зависит от коэффициента загрузки электродвигателя, снижаясь при возрастании нагрузки;

3) при регулировании частоты вращения электродвигателя нужно изменять сопротивление одновременно в трех цепях;

4) использование электродвигателя с фазным ротором, который имеет щетки и контактные кольца, усложняет и удорожает использование электродвигателя;

5) использование активных элементов ведет к дополнительным затратам энергии;

6) снижение частоты вращения снижает допустимый момент электродвигателя, что приводит к завышению мощности электродвигателя;

7) изменение частоты вращения в большом диапазоне только вниз от синхронной частоты вращения.

Из всего вышеперечисленного можно сделать вывод о том, что данный способ регулирования не может быть применен для регулирования частоты вращения насосного агрегата.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением питающего напряжения. При постоянной нагрузке на валу электродвигателя увеличение питающего напряжения вызывает рост частоты вращения ротора, и наоборот [77]. При этом диапазон изменения частоты вращения получается небольшим, что объясняется узкой зоной устойчивой работы электродвигателя, ограниченным значением критического скольжения и невозможностью значительно превышать номинальное значение напряжения. Последнее утверждение объясняется тем, что с увеличением выше номинального напряжения возникает опасность чрезмерного перегрева двигателя, который вызван резким увеличением электрических и магнитных потерь.

Достаточно узкий диапазон регулирования и неэкономичность ограничивают область применения данного способа регулирования частоты вращения для насосов системы водоснабжения.

Регулирование частоты вращения нарушением симметрии подводимого напряжения. Для изменения питающего напряжения при данном способе в цепь одной из фаз включить однофазный регулировочный автотрансформатор (АТ). При уменьшении выходного напряжения АТ несимметрия увеличивается, и частота вращения ротора снижается [8, 132].

Недостатками данного способа регулирования частоты вращения электродвигателя являются достаточно узкая зона регулирования и уменьшение КПД электродвигателя по мере возрастания несимметрии напряжения. Чаще всего данный способ регулирования частоты вращения применяется при регулировании частоты вращения электродвигателей малой мощности.

Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов обмотки статора. К недостаткам привода многоскоростными асинхронными электродвигателями [132], использующими несколько обмоток следует отнести:

1) фиксированное число частот вращения;

2) отсутствие плавного регулирования частоты вращения;

3) наличие сложной обмотки приводит к удорожанию ее замены и ремонта, хотя текущее обслуживание такого двигателя аналогично обслуживанию обычного АД, а смена частоты вращения не требует сложных устройств.

Импульсное регулирование частоты вращения. Сущность метода заключается в том, что периодически, с частотой, необходимой для получения нужной величины скорости, двигатель отключается от сети или меняется схема включения его обмоток [12].

Достоинствами данного способа изменения частоты вращения электродвигателя являются относительно низкая стоимость и простота.

К недостаткам данного способа относятся:

1) повышенный нагрев электродвигателя при работе;

2) достаточно узкий диапазон регулирования частоты вращения, который не позволяет получить нужные диапазоны регулирования;

3) так как нагрузка имеет случайный характер, то качественное изменение частоты вращения электродвигателя оказывается невозможным.

Указанные недостатки не позволяют применять данный способ регулирования для электропривода насосного агрегата.

1.3.2 Регулируемый асинхронный электропривод на базе вентильных преобразователей частоты

Основным элементом регулируемого электропривода является частотный преобразователь.

В преобразователе постоянная частота питающей сети / преобразуется в переменную /2, пропорционально которой изменяется и частота вращения электродвигателя, подключенного к выходу преобразователя.

Преобразователи частоты для электропривода подразделяются на два основных класса [45]:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Каун Олег Юрьевич, 2018 год

Т - иЧ

1 а~Т'

(2.5)

(2.6)

(2.7)

где - номинальное сопротивление нагрузки.

3, 4. Автономный инвертор напряжения и его система управления математически описывается следующим образом [18]:

выходное напряжение фазы А при 6-зонной ШИМ описывается следующим образом:

\и„, 0<(<т--и„:-<ь<т-

3 п 6 3

1 т т

-ип>-<1<-

ип = <

1 т 2 т

(2.8)

2 тт 2т ^ 5т

-~ип,— < г < —

3 п' 3 6 1 5 т

к 3 п' 6

формирователь трехфазной синусоиды описывается так:

иА — ц • ит • бт(а> ■ €) ив = ц • б+

(2.9)

где q - коэффициент заполнения импульсов

Выходная частота аналогового сигнала, генерируемого с помощью ШИМ, рассчитывается по формуле

/ = ■

К

с1к

(2.10)

N■512 • 1'

где ГС1к - тактовая частота микроконтроллера (кварцевого резонатора); 2 - количество импульсов; N - число ключей инвертора.

В данной математической модели минимизация фазного тока происходит путем задания коэффициента заполнения, при заданном количестве импульсов. А стабилизация давления происходит путем задания количества импульсов.

5. Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором

Математическое описание асинхронного двигателя запишем в системе [16] в следующем виде:

№

дз

(И

+ 1 <РЧз

Уаз = Кз ■ 1>йз + —7— -ы-(Раз

]/' — р' . /' _|__11

Vqr ГУг 1цГ ~г ^

Л

дх

+ (о — шг) • ( 'аг'

(2.11)

V кг — К г • I кг + + (О — Ог) • Рцг < Те — 1 >5 • V • (1^аз • Iдз — Ч'дз • Iаз) где Ч*дз — Ьз • Iяз + Ьт • I'чг - проекция потокосцепления статора на ось д;

— Ьз • Iаз + Ьт • I'йг - проекция потокосцепления статора на ось ^

- проекция приведенного потокосцепления ро-

тора на ось д;

= L'r • i 'dr + Lm • ids - проекция приведенного потокосцепления ротора на ось d;

Ls = L±s + Lm - индуктивность статора;

Lr = L\r + Lm - приведенная индуктивность ротора.

Момент двигателя определяется по формуле Клосса

мд = , , (2.12)

где М к - критический момент, Нм; S - скольжение; Sfc - критическое скольжение. Критическое скольжение:

Sk =

Г2

rl+xl

(2.13)

где гг — а кт и в н о е с о п р о т и в л е н и е с т а т о р а, О м;

г2 - приведенное активное сопротивление ротора, Ом; х^^ - индуктивное сопротивление статора. Критический момент:

3-и!

М fc=-5=-,Н-м. (2.14)

+r2)

где ¿7ф - фазное напряжение, В;

а - угловая частота вращения ротора электродвигателя, рад/с.

Я =

rf+xl

(2.15)

Ток двигателя

' U2 -1,2

I =

1

А.

^2... , А. (2.16)

(Г + |)2 + xk

Параметры Т-образной схемы замещения рассчитываются по следующим по следующим формулам:

Угловая скорость вращения магнитного поля

ш 0=^1Г'Р ад/с , (2.17)

где ^ - частота питающей сети, Гц; - число полюсов.

Номинальная угловая скорость ротора определяется на основе выражения скольжения

(2Л8)

где - номинальная угловая частота вращения ротора электродвигателя,

шн = о ()•( 1— Бн)' р ад/с. (2.19)

Номинальный момент двигателя:

М н — —'Н м. (2.20)

0)н

Номинальный ток двигателя:

1н-ф ■ = 7u;^гн'A, (2.21)

где - номинальное фазное напряжение, В;

с о Брн - номинальный коэффициент мощности. Потребляемая мощность двигателя:

Я

Р, — -Н-, (2.22)

Ли

где - номинальная активная мощность, Вт; ] н - номинальный КПД электродвигателя Номинальное сопротивление электродвигателя, на которое необходимо умножить активные и индуктивные сопротивления в относительных единицах, чтобы получить параметры двигателя в абсолютных единицах (Ом):

¿н — Т^' (2.23)

н.ф.

где - номинальный фазный ток, А.

Для пересчета параметров Т - образной схемы замещения двигателя из относительных единиц в абсолютные воспользуемся следующими выражениями:

- активное сопротивление обмотки статора, Ом:

Я* = Я* ■ ¿н, (2.24)

где Я * - активное сопротивление обмотки статора, о.е.

- индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора, Ом

Х* — Х* ■ ¿н (2.25)

где X* - активное сопротивление обмотки статора, о.е.

- приведённое активное сопротивление обмотки ротора, Ом

Я ^ — Я ^ ■ ¿ н, (2.26)

где Я у - активное сопротивление обмотки ротора, о.е.

- приведённое индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора, Ом

Х^ — Х^ ■ ¿н, (2.27)

где X/.* - индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора, о.е.

- индуктивное сопротивление цепи намагничивания, Ом

Х[1 — Х* ■ ¿н (2.28)

где X* - индуктивное сопротивление цепи намагничивания, о.е.

- собственная индуктивность статора

Ь ,Г н (2.29)

О)0

- собственная индуктивность ротора

Ь — ,Г н (2.30)

О)0

- взаимная индуктивность

Ь т — —, Г н (2.31)

О)0

- индуктивность обмотки статора

(2.32)

- индуктивность обмотки ротора

L2 = Lm + Lar, Г н (2.33)

6. Центробежный насос моделируется через теоретический и экспериментальный момент сопротивления насоса Мс теор и Мс экспер [34]:

Од _

Мс Teov = Мт + ( Mh-Мт) ■ (—)2, Н ■ м (2.34)

н

Мсн = 0 , 3 ■М^Н^м (2.35)

МсэKcnev = 1 ■ 1 0-1 ° ■п3 + 2 ■ 10-6 ■ п2 + 0,029 ■п-1,0 1 1 ,Н^м (2.36)

где Мн - номинальный момент сопротивления, Нм;

(л)н - номинальная угловая частота вращения электродвигателя, с-1; (л) - угловая частота вращения электродвигателя, с-1. n - частота вращения ротора электродвигателя, об/мин. Обратная связь по давлению математически описывается следующими уравнениями:

- из Q-H характеристики для насоса К8/18

Н = -0,0 39 ■ Q3 + 0,0 3 02 ■ Q2 - 0,2308 ■ Q + 19,90 1 , м (2.37)

- используя соотношение между напором и частотой вращения:

Q п QH

Тт = — = > Q = — ■ п (2.38)

Qh пи пи

- определяем зависимость H=f(n):

О3 О2

4 ■ п3 + 0,0302 ■ Ц

пн пн

Н = -0,039 — ■п3 + 0,0302 — ■п2 - 0,2308 ■ Q + 19,901, м (2.39)

Поддерживая напор или давление постоянным, можно определить частоту вращения, которую должен развивать электропривод, и определить скольжение:

- по данному скольжению определяем ток (2.16) и момент (2.13) электродвигателя.

Из частоты вращения мы находим частоту питающей сети, следовательно, и количество импульсов, подаваемое на вход микроконтроллера.

По матрице и и / линейного закона управления

у — со пя £, используемого для запуска электродвигателя, для рассчитанного

значения / определяется и и подставляется в формулу расчета тока электродвигателя и момента. Затем для нахождения точки минимума тока, при которой насосный агрегат будет подавать воду в систему водоснабжения с заданным давлением, система автоматически будет снижать напряжение на одну ступень при неизменности частоты и рассчитывать ток электродвигателя. При уменьшении его система будет еще снижать на ступень до тех пор, пока ток не начнет возрастать. После этого система вернется к предыдущему значению напряжения при данной частоте и продолжит работать, осуществляя нужное давление в системе водоснабжения.

Так как решение уравнений математической модели преобразователя частоты совместно с асинхронным электродвигателем с КЗ ротором и центробежным насосом аналитически является трудоемкой задачей, необходимо разработать компьютерную модель для проверки сформулированной гипотезы.

2.3 Разработка и расчет параметров компьютерной модели системы управления преобразователем частоты асинхронным электроприводом

насоса

На основе гипотезы и математической модели в системе Ма1ЬаЬ 7.14 была разработана компьютерная модель системы «автономный инвертор

напряжения - асинхронный электродвигатель с КЗ ротором - центробежный насос».

В данную модель в качестве задающих переменных входит OCR (напряжение) и f (частота) на выходе формирователя ШИМ-импульсов преобразователя частоты. В данной модели данные тока статора передаются в рабочую область и далее обрабатываются статистически, и затем находится максимальное значение тока статора, и далее происходит изменение входных параметров. При увеличении тока статора происходит изменение коэффициента заполнения импульсов таким образом, чтобы ток был минимальным. В результате мы может подбирать энергосберегающие режимы для любого насоса и запоминать законы регулирования преобразователя частоты.

В результате компьютерного моделирования необходимо решить следующие задачи:

1) получить графики зависимости частоты вращения, электромагнитного момента, тока фазы статора от времени моделирования;

2) проверить на адекватность гипотезу о снижении количества потребляемой электроэнергии.

Входные данные: коэффициент заполнения импульсов - OCR (U), число импульсов - Z f).

Выходные параметры модели: угловая частота вращения, электромагнитный момент, ток статора фазы А.

Моделируемая машина - асинхронный электродвигатель с короткоза-мкнутым ротором типа АИР80А2У3.

Справочные данные [79]:

Синхронная частота вращения:

Номинальная мощность, кВт: P = 1,5 кВт

Число полюсов: p = 2

Номинальный КПД, о.е.: = 0,82

Номинальный коэффициент мощности, о.е.: cos^ = 0,85

Номинальное скольжение, о.е.: = 0,046 Номинальная частота, Гц: = 50 Гц Номинальное фазное напряжение: инф = 220 В

Момент инерции ротора: =0,018 кг • м2

Параметры Т-образной схемы замещения двигателя: Активное сопротивление обмотки статора, о.е.: = 0,084 Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора, о.: X = 0,051

Приведённое активное сопротивление обмотки ротора, о.е.: Яг = 0,049 Приведённое индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора, о.е.: Хг = 0,081

Индуктивное сопротивление магнитной цепи, о.е.: Xи = 2,5

Угловая скорость вращения магнитного поля:

2 п / 2 • 3,14 • 50

ю0 =-— =-= 314 рад/с

р 1 .

Номинальная угловая скорость ротора определяется на основе выражения скольжения:

соп -

^н

0>0

где^ = а0 • (1 -) = 314 • (1 -0,046) = 299,7рад/ с Номинальный момент двигателя:

Мн — я« — 1500 — 5,005 нм.

н шн 314

Потребляемая мощность двигателя:

р = Р = 1500 = 1,83 кВт 1 V, 0,82

/ -= = 3,26 А

нф 3 • инф • ооъфн 3 • 220 • 0,85

Номинальное сопротивление электродвигателя, на которое необходимо умножить активные и индуктивные сопротивления в относительных единицах, чтобы получить параметры двигателя в абсолютных единицах (Ом):

1 = инф_ = г20=67,47 ом

н 3,26 .

Пересчитаем параметры Т - образной схемы замещения двигателя из относительных единиц в абсолютные.

Активное сопротивление обмотки статора:

Я, = 0,084 ■ 67,47 = 5,67 Ом

Приведённое активное сопротивление обмотки ротора по (2.24):

% = 0,049 ■ 67,47 = 3,31 Ом

Собственная индуктивность статора по (2.29):

= = 01051167147 = о,оП Гн

2 ж / 2 ■ 3,14 ■ 50

Собственная индуктивность ротора по (2,30):

= = 0,049 •67,47 = 0,017 гн

аг 2 ■ ж ■ / 2 ■ 3,14 ■ 50

Взаимная индуктивность по (2.31):

I = 2,5 ■67,47 = 0,537 Гн

2 ■ ж ■ /х 2 ■ 3,14 ■ 50

т

Индуктивность обмотки статора: по (2.32)

I = Ьт + = 0,537 + 0,011 = 0,548 Гн

Индуктивность обмотки ротора по (2.32):

К = К + Кг = 0,537 + 0,017 = 0,554 Гн

2.4.2. Моделирование процессов снижения потребляемого тока на

компьютерной модели

Для подтверждения гипотезы уменьшения потребления электроэнергии статора при регулировании напряжения питающей сети была составлена компьютерная модель в системе МЛТЪЛБ 7.14 (рисунок 2.3), состоящая из автономного инвертора напряжения, подключенного к сети постоянного напряжения, формирователя импульсов, формирователя трехфазного напряжения, и регулировки величины напряжения и частоты питающей сети, электродвигателя совместно с центробежным насосом, содержащемся в моменте сопротивления. Время моделирования подбиралось 0,35 с, достаточное для выхода электродвигателя из пускового в рабочий режим.

:- 0 i f(u)

W

OCR q

52 ftu)

50.(

0.

ftu) U1

"257П ^

f(u)

Omega

GH

Time

№

f(u)

IIa

f(u)

Continuous □_

lib

po wergui

f(u)

Signal(s)

Pulses

PWM Generator

Uc

п_n А 1 у

+ D-В + U

Л А

в-в Л в А А

/ \

с Т - В-в - V

С

n, ob/mir

w, rad/s

AD KZ

Ui

О

Рисунок 2.3 - Компьютерная модель в системе MATL AB до изменения напряжения питания электродвигателя

В результате моделирования были получены зависимости частоты вращения, электромагнитного момента и тока фазы А (рисунки 2.4 - 2.6) при фазном напряжении и=220 В и частоте питающей сети f=50Гц.

п, 1/мин

и с

Рисунок 2.4 - Зависимость частоты вращения от времени до регулирования

напряжения

Сс

Рисунок 2.5 - Зависимость электромагнитного момента от времени до регулирования напряжения

Рисунок 2.6 - График зависимости тока статора фазы А от времени до

изменения напряжения

Анализ зависимостей (2.4), (2.5) и (2.6) показывает, что пусковой процесс продолжается около 0,12 с. Пусковой ток достигает 23,8448 А.

Максимальное значение тока статора фазы А равно 23,8448 А, а минимальное значение равно -20,5550 А (рисунок 2.6).

Аналогичным образом была получена модель для случая регулирования величины фазного напряжения (рисунок 2.7).

Анализ полученных при этом зависимостей (рисунок 2.8, 2.9) позволяет сделать вывод о том, что время разгона электродвигателя и электромагнитный момент не изменяются по сравнению с предыдущим моделированием (рисунок 2.4, 2.5). Таким образом, можно сделать вывод о том, что регулирование напряжения не повлияло на время запуска электродвигателя, на установившуюся частоту вращения и величину электромагнитного момента.

Ui

U)

n. ob/mir

w, rad/s

Рисунок 2.7 - Компьютерная модель в системе МАТЬАВ после изменения напряжения питания электродвигателя

п, 1/мин

- !

Рисунок 2.8 - График зависимости частоты вращения от времени после

изменения напряжения

<Е1ес1готадпе1ю (оцие Те (М"гп]>

-

1

О 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

г,с

Рисунок 2.9 - Зависимость электромагнитного момента от времени после регулирования напряжения

.251-1-1-1-1-1-1-

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

t,c

Рисунок 2.10 - Зависимость тока статора фазы А от времени после регулирования напряжения

После регулирования напряжения при частоте 50 Гц максимальное значение тока статора фазы А при пуске электродвигателя равно 23,2581 А, а минимальное значение равно -20,1998 А (рисунок 2.10).

Данная компьютерная модель подтвердила гипотезу о том, что снижения потребления электроэнергии можно добиться, регулируя напряжение питания в скалярных системах преобразователей частоты при одинаковой частоте питающей сети. При этом энергетические характеристики не ухудшились, а ток уменьшился на 3%, что говорит об энергосбережении.

2.4 Адаптированный способ управления преобразователем частоты для прямоточной системы водоснабжения

Для уменьшения потребления электроэнергии необходимо разработать способ управления ШИМ-преобразователя, который бы самостоятельно подбирал параметры сети, питающей электродвигатель, направленные на

уменьшение потребления электроэнергии и улучшение характеристик электропривода.

Для решения данной задачи разработан адаптивный способ управления ШИМ-преобразователем, который самостоятельно подстраивается под минимальное энергопотребление насосным агрегатом.

Обратная связь по давлению выполняет роль задатчика параметров напряжения и частоты питающей сети системы управления силовыми ключами. При увеличении давления напряжения и частота повышается на одну ступень. При этом происходит подбор частоты. Если при этом ток уменьшается, то параметры увеличиваются еще на одну ступень. При достижении минимума тока преобразователь частоты начинает работать при данных параметрах. В случае повышения либо снижения давления также происходит плавный переход с текущей ступени зависимости частоты от напряжения, и опять происходит подбор параметров для уменьшения тока в нулевом проводе.

На рисунке 2.11 представлена блок-схема адаптивного алгоритма управления.

Принцип работы алгоритма, представленного на рисунке 2.11, заключается в автоматическом поиске минимального значения тока и стабильного давления, соответствующего наименьшему потреблению электроэнергии. При начале работы алгоритма, в блок 2 необходимо ввести следующие постоянные величины, вводимые электротехническим персоналом, производящим настройку ШИМ-преобразователя, а именно начальная, конечная величина коэффициента заполнения импульсов (д) и его шаг, время задержки, которое учитывает инерционность данной системы (А). Коэффициент д соответствует амплитуде выходного напряжения ШИМ-преобразователя, питающего электродвигатель, а количество импульсов (2) соответствует частоте выходного тока ШИМ-преобразователя.

В блоке 3 опрашивается кнопка «Пуск» - 8Б1(8Б1=17). При условии ББ1=1 работа алгоритма переходит к запуску подпрограммы плавного пуска

Рисунок 2.11- Блок-схема адаптивного алгоритма управления преобразователем частоты

электродвигателя по линейному закону управления ШИМ-преобразователем (блок 4). При невыполнении условия работа алгоритма переходит на проверку условия нажатия кнопки SB1.

В блоке 5 опрашивается дискретный датчик наименьшего давления SP1 (давление сравнивается с заданным). В блоке 6 запускается счетчик S1 с начальным значением S1H=0.

В блоке 7 происходит проверка условия, замкнут ли датчик (SP1=1?). При условии SP1, не равном 1, в блоке 8 увеличивается q и уменьшается z на один фиксированный шаг. После этого алгоритм передает работу блоку 12, где осуществляется проверка значения А.

Если в условии S1T не равно А, в блоке 13 производится увеличение S1T на единицу и алгоритм возвращается к блоку 7.

Если SP1=1, то опрашивается датчик наибольшего давления SP2. При условии SP2=1 в блоке 11 уменьшается q и увеличивается z на один шаг. Далее алгоритм переводит управление к блоку 12, где сравнивается значение счетчика с А.

При условии, что S1T, не равном А, в блоке 13 производится увеличение S1T на единицу и переход обратно к блоку 7.

При SP2, не равном единице, алгоритм переводит работу программы к блоку 14 опрашивается датчик тока ТА1, и получается фиксированное значение фазного тока - I.

В блоке 15 запускается счетчик S2 с начальным значением S2H=0. В блоке 16 уменьшается q на один шаг. В блоке 17 опрашивается датчик тока TA1, в результате этого получается фиксированное значение тока I1. В блоке 18 сравнивается I1 с предыдущим значением I.

Если ток I1 меньше I, то в блоке 27 сравнивается текущее значение счетчика S2T с коэффициентом А. Если значение счетчика S2T не равно А, то в блоке 29 увеличивается S2T на единицу и программа возвращается к блоку 16, а при условии, что значение S2T равно А, параметры q и z остаются такими

же. После этого электродвигатель работает с данными параметрами при наименьшем токе II.

Если ток II больше I, то в блоке 19 запускается счетчик Б3 с начальным значением Б3Н=0. В блоке 20 увеличивается q на один шаг. В блоке 21 опрашивается датчик тока ТА1, и в итоге получается фиксированное значение тока 12.

Если ток 12 меньше II, то в блоке 23 сравнивается значение Б3Т с А. Если значение Б3Т не равно А, то в блоке 24 увеличивается Б3Т на единицу и возвращается к блоку 20, а при значении счетчика Б3Т равном А, параметры д и ъ остаются без изменения. После этого электродвигатель работает с энергосберегающими параметрами при наименьшем токе II [53].

При последующем изменении давления в трубопроводе системы водоснабжения опрашивается датчик давления и тока и заново начинается поиск значения энергоэффективных параметров для нового значения расхода воды.

При условии, что момент сопротивления у каждого типа насосов неодинаков, следовательно, и закон управления ШИМ-преобразователем, который управляет электродвигателем и=/ф, также должен быть не одинаковым. Представленный адаптивный алгоритм будет регулировать частоту вращения электродвигателя насоса для того, чтобы давление было всегда постоянным при наименьшем потреблении электроэнергии.

Из этого можно сформулировать гипотезу, что использование адаптивного алгоритма управления ШИМ-преобразователем позволит уменьшить потребление электроэнергии на 5.. .7%.

Для представления экспериментальной установки была построена модель экспериментальной установки в КОМПАС 3Э (рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 - Модель системы водоснабжения в Компас 3D

Выводы по главе

Из анализа потерь мощности следует, что целесообразно разработать адаптивный способ управления преобразователем частоты для насосов системы водоснабжения, который даст уменьшение потребления электрической энергии.

Из результатов математического моделирования можно сделать вывод о том, что изменение напряжения при неизменности частоты питающей сети уменьшает значение тока статора на 3%, следовательно, уменьшается потребление электроэнергии.

Необходимо получить экспериментальные данные для подтверждения результатов математического моделирования об энергосбережении при помощи адаптивного способа управления преобразователем частоты.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ

3.1 Программа и методика проведения экспериментальных

исследований

Эксперимент первый - определение механической характеристики поверхностного насоса.

Задача эксперимента - исследовать зависимость частоты вращения ротора от момента сопротивления рабочей машины (насоса).

Рисунок 3.1 - Схема эксперимента №1

Рисунок 3.2 - Общий вид экспериментальной установки

Для проведения данного эксперимента необходимо следующее:

- насос К8/18 совместно с асинхронным электродвигателем АИР80А2У3 мощностью 1,5 кВт;

- электронный тахометр Amprobe ТАСН-10;

- преобразователь частоты HFinverterF-1000G.

Схема эксперимента и общий вид экспериментальной установки представлены на рисунках 3.1 и 3.2.

Эксперимент проводится следующим образом:

- электронным тахометром измеряется частота вращения электродвигателя насоса при условиях 1=20... 50 Гц, Д1=5 Гц;

- строятся механические характеристики электродвигателя по формуле (2.15);

- на механических характеристиках откладывается момент сопротивления насоса на соответствующей частоте питающей сети;

- строится момент сопротивления насоса;

- производится анализ теоретического, построенного по формуле (2.5) и экспериментального момента сопротивления;

- по механическим характеристикам строятся скоростные характеристики по формуле 2.16.

По данным характеристикам находится минимальное значение тока при каждой частоте питающей сети.

Эксперимент второй - исследование зависимости энергетических характеристик электропривода (тока статора, коэффициента мощности, активной, реактивной и полной мощностей) от частоты при ис=еот1 с помощью анализатора качества электроэнергии Н10К1 3196.

Задача эксперимента - проанализировать изменение тока статора при регулировании частоты питающей сети и при ис=380 В.

Схема эксперимента представлена на рисунке 3.3.

Для проведения данного эксперимента необходимо следующее:

- насос К8/18 совместно с асинхронным электродвигателем АИР80А2У3 мощностью 1,5 кВт;

- анализатор качества электроэнергии Н10К1 3196;

- преобразователь частоты НБтуейег Б-10000.

Рисунок 3.3 - Схема эксперимента №2

Эксперимент проводится следующим образом: - анализатор качества электроэнергии подключается в сеть по схеме, представленной на рисунке 3.4;

Рисунок 3.4 - Подключение Н10К1 3196 к электрической сети

- измеряются энергетические характеристики электропривода при постоянном фазном напряжении Ц=220В и при регулировании частоты при помощи преобразователя частоты НБтуейег Б-10000 в пределах от 20 Гц до 50 Гц с шагом 5 Гц.

Эксперимент третий - исследование зависимости энергетических характеристик электропривода (тока статора, коэффициента мощности, активной, реактивной и полной мощностей) при изменении частоты и напряжения питающей сети. Определение зависимости минимальных энергетических характеристик от входного напряжения и частоты.

Задача эксперимента - проанализировать изменение тока статора при регулировании частоты и напряжения питающей сети.

Рисунок 3.5 - Схема эксперимента №3

Схема эксперимента № 3 представлена на рисунке 3.5.

Для проведения данного эксперимента необходимо следующее:

- насос К8/18 совместно с асинхронным электродвигателем АИР80А2У3 мощностью 1,5 кВт;

- анализатор качества электроэнергии Н10К1 3196;

- преобразователь частоты НРтуейегБ-ЮООО;

- ЛАТР 380 В;

Эксперимент проводится следующим образом:

- анализатор качества электроэнергии подключается в сеть по схеме, представленной на рисунке 3.4;

- измеряются энергетические характеристики электропривода при регулировании линейного напряжения при помощи ЛАТРа в пределах 280...400 В и при регулировании частоты при помощи преобразователя частоты НРтуег1:ег Б-10000 в пределах от 20 Гц до 50 Гц с шагом 5 Гц.

Эксперимент четвертый - исследование зависимости тока статора фазы А от давления в сети водоснабжения.

Задача эксперимента - исследовать зависимость энергетических характеристик электропривода от давления в сети водоснабжения.

Рисунок 3.6 - Схема эксперимента №4

Схема эксперимента № 4 представлена на рисунке 3.6.

Для проведения данного эксперимента необходимо следующее:

- насос К8/18 совместно с асинхронным электродвигателем АИР80А2У3 мощностью 1,5 кВт.

- анализатор качества электроэнергии Н10К1 3196

- преобразователь частоты НБтуейег Б-10000,

- ЛАТР 380 В,

- датчик давления

Эксперимент проводится следующим образом:

- при помощи Н10К1 3196 измеряется ток фазы,

-при помощи манометра измеряется давление в сети водоснабжения

- при помощи электронного тахометра определяются обороты электродвигателя.

1. Осциллограф 008-8408 производства фирмы ОООБШЬ (рисунок

3.7).

Относительная погрешность 5и с делителем 10 Х - 0,01 %,

Максимальная частота синхронизации сигнала по двум каналам - 2 МГц.

Величина предельного измеряемого напряжения - 300 В.

Рисунок 3.7 - Осциллограф 008-8408

2. Мультиметр цифровой БТ 9205А (рисунок

3.8)

Рисунок 3.8 - Мультиметр цифровой БТ 9205А

АСУ - переменное напряжение