Защита погружного электродвигателя от "сухого хода" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, кандидат технических наук Исупова, Александра Михайловна

• Исупова, Александра Михайловна
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Исупова, Александра Михайловна

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЗАЩИТЫ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ «СУХОГО ХОДА» НАСОСА В СИСТЕМЕ СЕЛЬСКОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

1.1 Особенности системы водоснабжения животноводческих ферм.

1.2 Причины выхода из строя ПЭА.

1.3 Причины выхода из строя погружных электродвигателей

1.4 Аналитический обзор защит погружных электродвигателей.

1.5 Выводы и постановка задач исследования.

2 ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЗАЩИТЫ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПРИ «СУХОМ ХОДЕ» НАСОСА.

2.1 Обоснование тока срабатывания защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса.

2.1.1 Анализ влияния процессов, происходящих в центробежном многоступенчатом насосе, при «сухом ходе» на ток статора погружного электродвигателя.

2.1.2 Анализ влияния отклонения напряжения питания на ток статора погружного электродвигателя.

2.2 Обоснование выдержки времени при срабатывании защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса.

2.3 Выводы по главе 2.

3 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ И ОБРАБОТКА ДАННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Планирование эксперимента.

3.2 Методика проведения эксперимента.

3.3 Обработка результатов эксперимента.

3.4 Выводы по главе

4 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ СТАНЦИЙ ЗАЩИТ И УПРАВЛЕНИЯ . 77 4.1 Модернизация существующих станций защит и управления

Ф 4.2 Разработка устройства защиты на основе микроконтроллера . 86 4.3 Выводы по главе 4.

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ «СУХОГО ХОДА».

5.1 Расчет показателей надежности защиты погружного электродвигателя от «сухого хода».

5.2 Расчет показателей экономической эффективности защиты погружного электродвигателя от «сухого хода».

5.3 Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Защита погружного электродвигателя от "сухого хода"»

В сельском хозяйстве обеспечение животных и птиц доброкачественной водой является одним из важнейших условий охраны здоровья и повышения их продуктивности. При недостаточном потреблении воды нарушается нормальное пищеварение, задерживается выведение из организма ненужных и вредных продуктов обмена, происходит обеднение крови водой, наступает лихорадка [1].

Известно, что для производства одного литра молока корове требуется от 3 до 5 литров воды. Корова, у которой высокие надои, выпивает в среднем 5-8 литров воды в минуту [2].

При содержании свиней вода является одним из важных питательных элементов в их рационе. Свиньям, как правило, необходимо 2,5 литра воды на каждый килограмм потребляемого сухого корма [3]. Любое ограничение в воде отрицательно сказывается на потреблении корма, а значит - и на потенциале продуктивности свиней.

Для кур сокращение нормы питьевой воды наполовину снижает яйценоскость более чем на 15% [4]. Яйца при этом получаются легче, а сами куры худеют граммов на 200 [4]. Из-за срывов поения снижение живой массы несушек может составить от 5 до 15% [5]. У молодняка при возобновлении поения вволю живая масса восстанавливается за 72 часа [5].

Кроме удовлетворения потребностей животных и птицы в питьевой воде, её много требуется для поддержания нормальных санитарно-зоогигиенических условий (для подмывания вымени и мытья животных, для очистки помещений, дезинфекций, подготовки кормов, мытья посуды и пр.).

В настоящее время в 90% случаях потребности в воде для нужд животноводства обеспечивают системы механизированного водоснабжения, состоящие из: водозабора с насосной станцией, разводящей сети и регулирующих сооружений (водонапорных башен и резервуаров для хранения противопожарного запаса воды) [6, 7].

В качестве водоподъемных агрегатов, в системах водоснабжения животноводческих ферм, широко применяются центробежные насосы типа ЭЦВ с приводом от погружного водозаполненного электродвигателя типа ПЭДВ. Для управления работой погружного электродвигателя и его защиты используют системы автоматического управления типа СУЗ, САУНА, КАСКАД, ВЫСОТА и др.

Одним из наиболее значимых факторов влияющим на надежность функционирования системы водоснабжения животноводческих ферм является надежность работы электропривода погружного насоса. Проблему повышения эксплуатационной надежности электропривода погружных насосов в своих работах решали П.И. Кириенко, В.Г. Петько, Г.Г. Рекус, Г.Г. Счастливый, В.Г. Семак, Г.М. Федоренко, В.П. Таран, А.О. Грундулис, В.Н. Данилов, A.A. Пястолов, А.П. Гришин, М.А. Таранов, Н.М. Попов, В.М. Гетманенко, C.B. Оськин и др.

Однако исследования, проведенные в работе [8], показали, что надежность станций защит и управления все еще недостаточна. Одним из путей повышения надежности станций защит и управления является разработка защит, реагирующих не на причину, а на следствие аварийной ситуации.

Защита от «сухого хода» у большинства станций организована с использованием электродного датчика уровня, опускаемого совместно с погружным электронасосным агрегатом (ПЭА) в скважину. Отказы в цепи датчика делают защиту нечувствительной. Исследованиями [9] установлено, что по причине «сухого хода» из строя выходит до 10% погружных электродвигателей.

Таким образом, совершенствование защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса направлено на повышение эффективности сельскохозяйственного водоснабжения и является актуальным.

Цель исследования - обоснование параметров защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса.

Научная гипотеза - для защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса необходимо контролировать два параметра: ток, протекающий по обмоткам статора и время переходного процесса при наступлении «сухого хода».

Рабочая гипотеза - диапазон изменения тока статора погружного электродвигателя при «сухом ходе» насоса зависит от параметров системы водоснабжения и достаточен для срабатывания защиты.

Объект исследования - погружной электронасосный агрегат животноводческих ферм и процессы его функционирования в номинальном и аварийном режиме, обусловленным «сухим ходом» насоса.

Предмет исследования - зависимость тока, протекающего по обмоткам статора погружного электродвигателя в режиме «сухого хода» насоса, от параметров системы водоснабжения и режима работы электрической сети.

Результаты исследований изложены в диссертационной работе, состоящей из пяти глав основного текста.

В первой главе «Обоснование необходимости совершенствования защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса в системе сельского водоснабжения» рассмотрены особенности процесса водоснабжения животноводческих ферм, причины выхода из строя ПЭА, являющихся одним из наиболее ответственных элементов системы водоснабжения, проанализированы основные виды защит погружных электродвигателей.

Проведенный анализ позволил сделать заключение о целесообразности разработки защит погружных электродвигателей от «сухого хода», контролирующих изменение тока, протекающего по обмоткам статора и позволяющих отказаться от использования различных датчиков давления, уровня, протока, которые в настоящее время применяются для защиты погружных электродвигателей от данного аварийного режима. Однако для создания подобных защит необходимо установить пороговое значение тока статора погружного электродвигателя и время, соответствующие наступлению режима «сухого хода».

Во второй главе «Обоснование параметров защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса» установлена степень снижения тока статора, обусловленная уменьшением мощности, подводимой к насосу в режиме «сухого хода», и отклонением напряжения питания от номинального значения, позволяющая рассчитать ток срабатывания защиты. На основании проведенного имитационного моделирования установлено время наступления режима «сухого хода» и обоснована выдержка времени при срабатывании защиты от «сухого хода».

В третьей главе «Методика проведения и обработка данных экспериментальных исследований» представлена программа и методика экспериментальных исследований тока, протекающего по обмоткам статора погружного электродвигателя при изменяющейся нагрузке, обусловленной наступлением режима «сухого хода», и отклонении напряжения питания от номинального значения.

В результате обработки данных экспериментальных исследований получено уравнение регрессии, отражающее степень влияния мощности нагрузки и напряжения питания на ток статора погружного электродвигателя, установлена корреляционная связь между током статора погружного электродвигателя в номинальном режиме и при возникновении «сухого хода» насоса, экспериментально определено время наступления режима «сухого хода». Результаты экспериментальных исследований подтверждают теоретические предположения.

В четвертой главе «Методы и средства повышения эксплуатационной надежности станций защит и управления» разработано устройство защиты погружного электродвигателя от перегрузки и «сухого хода», защищенное патентом РФ № 2444104, предложены схемные решения модернизации защиты от «сухого хода» для наиболее распространенных в сельском водоснабжении станций защит и управления типа «Каскад -Р» и СУЗ, разработано устройство защиты погружного электродвигателя от перегрузки и «сухого хода» на основе микроконтроллера, а также предложена методика настройки и проверки защиты от «сухого хода».

В пятой главе «Технико-экономическая оценка устройства защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса» проведена сравнительная оценка защит от «сухого хода», выполненных в станции защиты и управления типа «Каскад-Р» посредством электродного датчика уровня, опускаемого в скважину совместно с ПЭА и с применением разработанного блока защиты.

Методы исследований. В работе использованы основные положения теоретических основ электротехники, теория электрических машин, теория движения жидкости в лопастных насосах, методы математической статистики и теории вероятности. Данные экспериментальных исследований получены с использованием современных приборов на натурной установке. При проведении исследований указанными методами применялись пакеты программ 81аиз1;юа 6 и МАТТАВ 8шшНпк.

Научную новизну результатов исследований составляют:

- методика определения мощности, подводимой к насосу в режиме «сухого хода», позволяющая установить степень снижения тока статора погружного электродвигателя при возникновении данного аварийного режима;

- уравнение регрессии, отражающее степень влияния отклонения напряжения питания и мощности нагрузки на величину тока статора погружного электродвигателя и установленная корреляционная зависимость между токами, протекающими по обмоткам статора погружного электродвигателя в номинальном режиме и при «сухом ходе» насоса.

- методика настройки и проверки исправности действия блока защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса, позволяющая повысить надежность защиты.

Практическую значимость представляют:

- созданный блок защиты погружного электродвигателя от «сухого хода», который может встраиваться в действующие станции защиты и управления;

- предложенная методика настройки и проверки исправности действия защиты от «сухого хода», которая может быть использована для настройки станций защит и управления погружными электродвигателями.

На защиту выносятся следующие положения:

- методика расчета мощности, подводимой к центробежному насосу в режиме «сухого хода», позволяющая установить степень снижения тока статора погружного электродвигателя при возникновении данного аварийного режима;

- методика настройки и проверки исправности действия блока защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса;

- схемное решение блока защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса.

Реализация результатов работы. Блок защиты погружного электродвигателя от «сухого хода» насоса внедрен в крестьянском фермерском хозяйстве ИП Савельева Сергея Владимировича в сельском поселении Золо-таревское Семикаракорского района Ростовской области.

Методика настройки и проверки исправности защиты электродвигателя погружного насоса от перегрузки и «сухого хода» используется в ООО «Кагальникагропромэнерго» для станции защиты и управления «Каскад-Р» в станице Кагальницкая Кагальницкого района Ростовской области.

Аппробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и одобрены на научно-технических конференциях: ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» в 2010 - 2012 годах, ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» 2011 г., ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И.Вавилова» 2011г.

По результатам исследований получены в соавторстве 2 патента, и опубликовано 6 научных статей, в том числе 1 статья в издании рекомендованном ВАК.