Электропривод насосного агрегата на основе энергосберегающего асинхронного двигателя

Защита диссертации состоится «11» июня 2010 года в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова по адресу: г. Магнитогорск, пр. Ленина, д. 38, ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «МГТУ», автореферат размещен на сайте .ru


Автореферат разослан «08» мая 2010 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент К.Э. Одинцов


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


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. кВт∙часов 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 (cosφ), 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., Лезнов 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:

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 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:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

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(η_эн= η_нcosφ_н→max) и новой последовательностью вычислительных действий.

3. 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.

4. Теоретически и экспериментально доказаны возможность и энергоэффективность применения ЭАД, обладающего cosφ=1,0, в нерегулируемых и регулируемых от ПЧ электроприводах насосных агрегатов.

Практическая значимость работы:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. Созданы экспериментальные электроприводы насосных агрегатов, реализованные на основе ЭАД и ПЧ-ЭАД. Выполненные экспериментальные и теоретические исследования позволили создать энергоэффективный электропривод 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; Х, ХVI 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.; ХII 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены направление, цели и задачи исследований, намечены методы их решения, сформулированы научная новизна и практическая значимость, приведены результаты реализации работы, обоснованы достоверность полученных результатов и выводов, представлены положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы и публикациях по теме диссертации, структуре и ее объеме.

В первой главе выполнен обзор вариантов насосных агрегатов и установок. Показано, что известная методика не учитывает в явной форме изменения КПД насоса и двигателя от частоты вращения и подачи, а также влияния электрических параметров двигателя, источников питания и системы электроснабжения на электропотребление, текущее время и не позволяет использовать ее для оперативного управления энергоэффективностью. Установлено, что во всех известных системах электроприводов насосных агрегатов применяются ТАД.

На основе обзора научно-технической литературы рассмотрен ТАД как преобразователь электрической энергии в механическую. Показано, что известная электромагнитная схема ТАД обладает активно-индуктивным характером и при существующей конструкции ее КПД и коэффициент мощности не могут быть выше 0,85-0,93, то есть энергосберегающие возможности ТАД исчерпаны. Приведен подробный обзор и анализ известных технических решений по повышению коэффициента мощности асинхронных двигателей (АД). Показано, что из рассмотренных технических решений наиболее перспективным является ЭАД с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

На основе анализа состояния проблемы и системного подхода к ней определено главное направление диссертационного исследования – разработка электропривода насосных агрегатов на основе применения ЭАД. Для исследования выбраны наиболее эффективные электромагнитные схемы ЭАД, приведенные на рис. 1.

а)

б)

Рис. 1. Электромагнитные схемы ЭАД: а) трансформаторная; б) автотрансформаторная, где: РО, КО – рабочая и компенсационная обмотки статора; ОР – обмотка ротора; С – компенсирующие конденсаторы

ЭАД еще не применялись для привода насосных агрегатов, полностью отсутствует опыт их работы от преобразователей частоты (ПЧ). В этой связи, в диссертационной работе обоснованы и поставлены задачи, обеспечивающие разработку и создание электропривода насосного агрегата на основе применения ЭАД.

Вторая глава посвящена разработке методики электромагнитного расчета ЭАД с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. Для этого, на основе известных подхода и допущений, разработана Т-образная электрическая схема замещения ЭАД, представленная на рис. 2. Для схемы составлены уравнения по законам Кирхгофа и приведены их решения.



Рис. 2. Схема замещения ЭАД


На схеме: R'₃, Х'₃, – приведенные к рабочей обмотке статора активное, индуктивное сопротивления компенсационной обмотки статора; Х'_С3 – приведенной емкостное сопротивление компенсирующего конденсатора; остальные обозначения – общепринятые.

ЭАД, как показано выше, содержит две обмотки статора. По обмоткам протекают соответствующие токи, которые греют двигатель. Известная методика электромагнитного расчета ТАД ориентирована на проектирование двигателя с одной обмоткой статора по критерию минимума затрат. Поэтому, известные зависимости для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора не применимы для оценки соответствующих нагрузок ЭАД. В этой связи получены новые зависимости, определяющие линейную токовую и тепловую нагрузки статора ЭАД. Эквивалентные линейная токовая А_1э и тепловая W_1э нагрузки статора определяются уравнениями:

; W1э=A1э J1,

(1)

где Z₁ — число пазов статора; N_1п — число проводников в пазах статора; D₁, — соответственно внутренний диаметр статора, мм; а₁ — число параллельных ветвей обмоток статора; I_1на, I_1нр— активная и реактивная составляющие тока рабочей обмотки при номинальной нагрузке двигателя; I'_3а, I'_3р – активная и реактивная составляющие тока компенсационной обмотки, приведенные к рабочей обмотки статора; J₁— плотность токов в обмотках статора, А/мм².

Для различных электромагнитных схем ЭАД получены варианты зависимостей, определяющие емкость компенсирующего конденсатора. Например, емкость компенсирующего конденсатора для электромагнитной схемы, рис. 1(б), рассчитывается по уравнению:

,

(2)

где: величины и вычисляются через параметры схемы замещения ЭАД без учета параметров КО; – коэффициент трансформации между КО и РО; f₁ – частота тока.

Для определения емкости компенсирующего конденсатора с учетом параметров РО и КО, параметров ветви намагничивающего контура, частоты тока, полезной мощности двигателя получено уравнение сопротивления компенсирующего конденсатора в виде:

.

(3)

В выражении (3) два ±₁ должны иметь одинаковый знак, ±₂ — независим. Уравнение (3) имеет физический смысл при положительных знаках +₁ и +₂. Коэффициенты уравнения (3) зависят от параметров схемы замещения и желаемого cosφ ЭАД. Уравнение позволяет определять емкость конденсатора С₃ для любых параметров схемы замещения ЭАД и частоты тока.

В ЭАД емкостный ток КО подмагничивает магнитную систему машины, это ведет к уменьшению тока намагничивания. Получено оптимальное соотношение параметров намагничивающей и компенсационной ветвей ЭАД, обеспечивающее максимальный КПД двигателя. Показано, что коэффициент изменения сопротивления ветви намагничивания двигателя k_Zm может определяться аналитически или графо-аналитически. На рис. 3 приведена зависимость КПД ЭАД средней мощности (10÷55 кВт) от k_Zm. Оптимальные значения коэффициента k_Zm находятся в диапазоне 2,2÷2,9. На рис. 4, для сравнения, приведены зависимости энергетического КПД ЭАД и ТАД от полезной мощности для k_Zm=2,9.

Рис. 3. Зависимость  ЭАД от коэффициента kZm	Рис. 4. Зависимости эн ЭАД и ТАД от полезной мощности (эн=cos)

На основе разработанной схемы замещения, выполненных обоснований и полученных зависимостей предложены методики и алгоритмы электромагнитных расчетов новых ЭАД и пересчета ТАД в ЭАД. На рис. 5 приведена укрупненная блок-схема пересчета ТАД в ЭАД.


Рис. 5. Укрупненная блок-схема пересчета ТАД в ЭАД
Блок 1. Вводятся номинальные данные реконструируемого ТАД и создаваемого ЭАД; F_1ТАД, мм² – площадь паза, занимаемые медью обмотки статора; F_1ЭАД, F_3ЭАД, мм² - площади паза, занимаемые медью рабочей и компенсационной обмотками; F_и.1,3, мм² - площадь паза, занимаемая изоляцией между рабочей и компенсационной обмотками; k₃₁=W₃/W₁ - коэффициент трансформации между обмотками статора; k_ТЭ=W_1ТАД/W_1ЭАД – отношение чисел витков обмотки статора ТАД и рабочей обмотки ЭАД. Блок 2. Рассчитываются параметры Т-образной схемы замещения ТАД. Блок 3. Рассчитываются обмоточные данные ЭАД. Блок 4. Проверяется условие F_1ЭАД+F_3ЭАД≤F_1TAД. Если условие не удовлетворяется - необходимо изменить входные параметры: k₃₁ и диаметры обмоточных проводов. Блок 5. Проверяется условие J_1,3≤J_доп. J_1,3 – плотность тока в рабочей и компенсационных обмотках, J_доп – допустимая плотность тока. Если условие не выполняется – изменяются параметры РО и КО. Блок 6. Проверяется условие A_1,3≤A_доп. A_1,3 – линейная токовая нагрузка статора ЭАД, А_доп – допустимая линейная токовая нагрузка статора. Если условие не выполняется – изменяются параметры РО и КО. Блок 7. Расчет параметров T – образной схемы замещения ЭАД. Блок 8. Расчет параметров ветви намагничивания ЭАД. Блок 9. Расчет емкости компенсирующего конденсатора для получения двигателя с желаемым cosφ_ж. Блок 10. Проверяется условие X_c>0, I_m(X_c)=0. Если корни уравнения (3) комплексные или не имеют физического смысла – увеличивают желаемый угол сдвига между питающим напряжением и током на величину Δφ_ж. Блок 11. Расчет характеристик ЭАД и ТАД. Блок 12. Вывод результатов. Рабочие и механические характеристики двигателей выводятся в виде таблиц или графиков.

По разработанным методикам выполнены электромагнитные пересчеты асинхронных двигателей типа 4А112М2У3, АИР 180S 2, 4А225М4У3, используемых в качестве приводов насосных агрегатов. На рис. 6 приведены рабочие (энергетические) и механические характеристики созданного методом реконструкции ТАД типа 4А225М4У3, Р_2н=55 кВт; U_1н=220 В; η_н=0,925; cosφ_н=0,9; I_н=100,1 А в ЭАД 4А225М4У3, Р_2н=55 кВт; U_1н=220 В; η_н=0,935; cosφ_н=1,0; I_н=89,1 А, для шламового насосного агрегата ЗАО «Горно-обогатительное предприятие» г. Магнитогорск.


Рис. 6. Рабочие (энергетические) и механические характеристики ЭАД типа 4А225М4У3

Преимущества ЭАД видны из характеристик. Увеличение М_кр ЭАД объясняется уменьшением Х_1ЭАД, а М_п – некоторым увеличением R_1ЭАД.

Третья глава посвящена исследованию математическим моделированием энергосберегающих свойств электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД.

Разработано математическое описание установившихся режимов нагрузок и электропотребления нерегулируемых и регулируемых электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД и ТАД, отличающееся от известных тем, что мощность насоса определяется с учетом изменения КПД от частоты вращения рабочего колеса насоса и от величины подачи жидкости; кроме того, мощность насоса эквивалентируется с электрической мощностью активного сопротивления роторной цепи (R_н), пропорционального полезной мощности двигателя; величина активного сопротивления R_н определяется с учетом мощности насоса, напряжения питания U_1i и частоты f_1i тока двигателя, а также его электрических сопротивлений короткого замыкания (Х_к, Z_к), зависящих от частоты. Разработанное математическое описание, кроме изложенного, включает в себя новые зависимости, определяющие величину емкости компенсирующего конденсатора для ЭАД.

Зависимость, связывающая сопротивления роторной цепи (R_нi), пропорционального полезной мощности двигателя с гидравлической мощностью насоса N_i, напряжением U_1i, частотой f_1i и их отношением определяется уравнением:

,

(5)

где – модуль полного сопротивления короткого замыкания при частоте тока f_1i; L₁, L'₂ – индуктивности обмоток статора, ротора при частоте тока f_1н.

Разработаны методика и алгоритм компьютерного моделирования электропотребления и показателей энергоэффективности установившихся режимов работы электроприводов на основе ТАД и ЭАД, ПЧ-ТАД и ПЧ-ЭАД насосных агрегатов, отличающиеся возможностью исследования электропотребления насосными агрегатами, как при дроссельном, так и при частотном регулировании подачи при различных отношениях выходных параметров (U/f) ПЧ для различных емкостей компенсирующих конденсаторов ЭАД. Методика предусматривает моделирование режимов электропотребления для следующих вариантов изменения емкости компенсирующих конденсаторов, определяемых по уравнению (3) в функции: а) С₃=f(f_1i; R_нi); б) С₃=f(f₁=f_1н; R_нi=R_н.ном≡Р_2н); в) С₃=f(f_1i=const; R_нi=R_н.ном≡Р_2н); г) С₃=f(f₁=f_1н; R_нi ≡k_з ∙Р_2н), где k_з – коэффициент загрузки двигателя; f_1i – частота тока. Исследованиями показано, что для электроприводов насосных агрегатов при диапазоне регулирования частоты вращения (0,65÷1,0)∙n_н предпочтительными являются емкости компенсирующих конденсаторов, определяемые по функциям а) и г).

Выполнено моделирование электропотребления для заданного реального графика подачи жидкости насосной установки АНУ3 АЦМС90 теплового пункта МП трест «Теплофикация». Получены показатели энергоэффективности насосной установки, подтверждающие преимущества применения ЭАД для нерегулируемых и регулируемых электроприводов насосных агрегатов. На рис. 7 приведены удельные расходы электрической энергии при различных подачах жидкости для вариантов нерегулируемых и регулируемых электроприводов, созданных на основе ТАД и ЭАД, ПЧ-ТАД и ПЧ-ЭАД. Для последних расчеты выполнены для первых гармоник напряжения ПЧ.

а)	б)
Рис. 7. Зависимости удельных расходов энергии от подачи

Моделирование показало, что снижение удельного расхода электрической энергии электроприводами для насосной установки типа АНУ3 АЦМС 90 позволяет экономить в год электроэнергии:

– для нерегулируемого электропривода на основе ЭАД по сравнению с ТАД

Э=Q∙Т∙N∙(W_уТАД- W_уЭАД )=1310∙365∙3∙(0,46-0,416)=63116 кВтч;

– для регулируемого электропривода на основе ПЧ-ЭАД по сравнению с ПЧ-ТАД

Э=Q∙Т∙N∙(W_{уПЧ-ТАД}- W_{уПЧ-ЭАД} )=1310∙365∙3∙(0,165-0,149)=22950 кВтч,

где Q – суточная подача воды, м³; Т – число дней в году; N – число насосных агрегатов; W_у – средние удельные расходы энергии за сутки.

Каждый киловатт установленной мощности ЭАД (Р_2н=22 кВт), работающего от электросети, позволяет в год экономить электрической энергии:

– для нерегулируемого электропривода на основе ЭАД

ΔЭ=Э/Р_уст=Э/Р_2н∙N=63116/22∙3=956,3 кВтч;

– для регулируемого электропривода на основе ПЧ-ЭАД

ΔЭ=Э/Р_уст=Э/Р_2н∙N=22950/22∙3=347,7 кВтч.

Анализ результатов математического моделирования, полученных с помощью разработанной методики определения электропотребления и показателей энрегоэффективности электроприводов насосных агрегатов при принятых допущениях и графике подачи жидкости, позволяет утверждать:

1) электроприводы насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД энергоэффективнее электроприводов насосных агрегатов на основе ТАД на 9,5-9,7%;

2) среднее потребление тока нерегулируемыми электроприводами на основе ЭАД (34,68 А) ниже, чем среднее потребление тока электроприводами на основе ТАД (42,19 А) на 17%;

3) среднее потребление тока регулируемыми электроприводами на основе ПЧ-ЭАД (16,46 А) ниже, чем среднее потребление тока электроприводами на основе ПЧ-ТАД (23,5 А) на 29%;

В четвертой главе на разработанных и созданных экспериментальных электроприводах на основе ЭАД и ТАД, ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД насосного агрегата, гидравлическая и электрическая схемы которых представлены на рис. 8, исследованы электропотребление и показатели энергоэффективности транспортирования жидкости.

Экспериментальная часть исследований содержала два этапа: 1) исследования нерегулируемых электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД и ТАД; 2) исследования регулируемых электроприводов насосных агрегатов на основе ПЧ-ЭАД и ПЧ-ТАД.

а)	б)

Рис. 8. Гидравлическая (а) и электрическая (б) схемы экспериментальных электроприводов насосных агрегатов

Первый этап исследований выполняли при питании электроприводов одинаковых насосов Н1, Н2 от промышленной электросети U_1н=220/380 В, f_1н=50 Гц. Схема соединения рабочей и компенсационной обмоток статора ЭАД – автотрансформаторая (рис. 1б). Схема соединения обмотки статора ТАД – «звезда». Регулирование подачи насосов осуществляется задвижками, то есть, насосные агрегаты работали с превышением напора. Режим работы электроприводов установившийся, длительный t_р≥1,5 часа.

Второй этап исследований выполняли при питании электроприводов от преобразователей частоты – ПЧ1, ПЧ2 (VFD015S43А фирма Delta Electronics). Схемы соединения обмоток статоров ЭАД и ТАД аналогичные схемам первого этапа. Регулирование подачи насосов осуществляется изменением частоты вращения их рабочих колес, то есть насосные агрегаты работали без превышения напора. Режим работы электроприводов установившийся, длительный t_р≥1,5 часа.

Регистрацию электрических сигналов электроприводов осуществляли по схеме, представленной на рис. 9, где: НА1, НА2 – насосные агрегаты; ЭАД, ТАД – энергосберегающий и традиционный асинхронные двигатели типа АИР 71В2 У3; ДЧВ1, ДЧВ2 – датчики частоты вращения типа ТГ-1; ЭСч1, ЭСч2 – универсальные 3х-фазные электронные счетчики электрической энергии типа «Меркурий 230 ART2-02»; БШДН – блок шунтов и делителей напряжения; R_ш1–R_ш3 – шунты в линии рабочей обмотки, R_ш4–R_ш6 – шунты в линии компенсационной обмотки ЭАД типа 75 ШС 3А (1,5А); С₃ – компенсирующие конденсаторы типа К73-46 (а), 0,5-1,5 мкФ на фазу, U_н=750 В; БПР – блок потенциальной развязки типа РСЗ фирмы Prosoft-Е; АЦП – аналого-цифровой преобразователь типа E 14-440 фирмы L-CARD; ОЦ – осциллограф цифровой типа FLUK199С; ПК – персональный компьютер с установленным программным обеспечением FlukeView ScopeMeter v. 4.1.

Фрагменты осциллограмм токов и напряжений электроприводов ТАД и ЭАД, ПЧ-ТАД и ПЧ-ЭАД приведены на рис. 10, 11, 12. Из анализа осциллограмм, рис. 10, 11, следует: ударный ток ЭАД (4,2 А) меньше тока ТАД (5,9 А) на 28,8%; установившийся ток ЭАД (0,71 А) меньше тока ТАД (0,84 А) на 15,5 %; cosφ ЭАД (1,0) больше cosφ ТАД (0,88) на 12%. Из анализа рис. 12 видно, что пуск системы ПЧ-ЭАД происходит с меньшими токами, чем пуск ПЧ-ТАД. Следует отметить, что в системе ПЧ-ЭАД наблюдается увеличение тока компенсационной обмотки (I_КО=0,55 А) и перекомпенсация реактивной мощности при р
Рис. 9. Информационно-измерительная схема электроприводов
аботе с емкостью компенсирующего конденсатора, рассчитанного для номинальных напряжения и частоты тока (I_КО=0,25 А). Это объясняется снижением сопротивления компенсирующего конденсатора из-за влияния высших гармоник тока ПЧ. Поэтому одним из главных требований, предъявляемых к электроприводам насосных агрегатов, создаваемых на основе ПЧ-ЭАД, является уменьшение на 60-80% емкости компенсирующего конденсатора. Компенсирующий конденсатор должен выбираться для работы в диапазоне частот высших гармоник ПЧ.

Экспериментальные исследования показали энергосберегающие свойства электроприводов на основе ЭАД: удельный расход электроэнергии в нерегулируемых электроприводах с ЭАД (0,39 кВтч/м³) меньше, чем с ТАД (0,43 кВтч/м³) на 9,3%, что сопоставимо с результатами моделирования; удельный расход электроэнергии в регулируемых электроприводах ПЧ-ЭАД (0,175) меньше, чем в ПЧ-ТАД (0,198) на 11,6%, но на 18-20% больше результатов моделирования из-за неучета высших гармоник тока.

Экспериментальные исследования подтверждают теоретические обоснования и расчеты энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов, созданных на основе ЭАД.



Рис. 10. Токи нерегулируемых электроприводов при пуске


U₁, В

I₁А

U₁, В

U₃, В

I₁А

I1 U1 ТАД I1m=1,18А cosφ=0,88, φ=31,5°	I1 U1 U3 ЭАД I1m=1,0А cosφ=1,0, φ=0°
Рис. 11. Установившиеся токи и напряжения нерегулируемых электроприводов

Рис. 12. Токи электроприводов по системе ПЧ-АД при пуске

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Теоретически обоснованы: электрическая схема замещения ЭАД; полученные зависимости для определения линейной токовой и тепловой нагрузок статора, для определения емкости компенсирующего конденсатора и разработанные методики электромагнитного расчета ЭАД и пересчета ТАД в ЭАД позволяют создать энергосберегающие асинхронные двигатели.

2. Разработанные математические модели, методика расчета электропотребления и показателей энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов обеспечивают возможность математического моделирования и рекомендуется для исследований, оперативного учета и управления энергоэффективностью транспортирования жидкости.

3. Разработаны, созданы и исследованы экспериментальные электроприводы насосных агрегатов на основе ЭАД, ПЧ-ЭАД с номинальными данными: Р_2н=1,1 кВт, n_н=2945 об/мин, U_н=380/220 В, I_н=2,0 А, cosφ=1,0, η_н=92%; двигатель изготовлен путем реконструкции статора АД типа АИР 71В2 У3 с номинальными данными Р_2н=1,1 кВт, n_н=2930 об/мин, U_н=380/220 В, I_н=2,4 А, cosφ=0,84, η_н=88,5%. Создан электродвигатель насосного агрегата для теплового пункта треста «Теплофикация» на основе ЭАД АИР 180S2 У3 с номинальными данными: Р_2н=22,0 кВт, n_н=2920 об/мин, U_н=380/220 В, I_н=36,2 А, cosφ=1,0, η_н=92%, С₃=22 мкФ на фазу.

4 Исследования энергоэффективности экспериментальных электроприводов насосных агрегатов на основе ЭАД, ПЧ-ЭАД показали: при прямом пуске нерегулируемых электроприводов насосных агрегатов пусковой ток ЭАД меньше пускового тока ТАД в 1,28–1,5 раза; установившийся ток электропривода на основе ЭАД меньше тока электропривода на основе ТАД на 15,5%; коэффициенты мощности электроприводов ЭАД на 12 % выше, чем у ТАД; полная потребляемая мощности ЭАД на 13-17% меньше мощности ТАД.

5 Результаты диссертационной работы внедрены: в МП трест «Водоканал», в МП трест «Теплофикация» г. Магнитогорска; в ЭРЦ ОАО «ММК-Метиз». Получена экономия электрической энергии 18 тыс. кВт∙час в год для одного электропривода насосного агрегата. Зарегистрированы две компьютерные программы, реализующие методики электромагнитного расчета ЭАД. Срок окупаемости дополнительных затрат на создание ЭАД 0,6-0,8 года.


Публикации автора по теме диссертации


Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК:

1. Мугалимова А.Р. Экспериментальные исследования электроприводов волочильного стана на основе энергосберегающих асинхронных двигателей/ Губайдуллин А.Р.// Изв. вузов. Электромеханика. 2009, №1. С. 43-47.

2. Мугалимова А.Р. Опыт создания энергосберегающих электроприводов волочильных станов/ Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р., Кретов С.В.// Промышленная энергетика. 2009, №7. С. 11-15.

3. Мугалимова А.Р. Электроприводы на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для волочильных станов/ Мугалимов Р.Г., Губайдуллин А.Р. // Электротехника, 2009. №10, С. 22-28.

Публикации в других изданиях:

4 Мугалимова А.Р. Мугалимов Р.Г. Математическая модель и структурная схема асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // Десятая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. М.: МЭИ, 2004. Т. 2. – С. 24

5 Мугалимова А.Р., Мугалимова М.Р. Мугалимов Р.Г. Электрическая схема замещения энергосберегающего асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. // Молодежь. Наука. Будущее. Вып. 2: Сб. науч. тр. тудентов / Под ред. Л.В. Радионовой. –Магнитогорск: МГТУ, 2004. –С. 239-245

6 Мугалимова А.Р., Мугалимов Р.Г. К проектированию энергосберегающего асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. // Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые энергомеханические системы: труды III Международной научно-технической конференции. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. С. 77-80

7 Мугалимова А.Р., Мугалимов Р.Г., Косматов В.И. Метод и алгоритм проектирования компенсированного энергосберегающего асинхронного двигателя. // Сборник материалов V Международной (XVI Всероссийской) научной конференции: 18-21 сентября 2007 г. – Санкт-Петербург, 2007. –С. 281-284.

8 Мугалимова А.Р., Косматов В.И. Энергосберегающие электроприводы для жилищно-коммунального хозяйства. // Конкурс грантов студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Челябинской области: сборник рефератов НИР студентов. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. – С. 215.

9 Мугалимова А.Р., Косматов В.И., Мугалимов Р.Г. Автоматизированные электроприводы на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для систем холодного и горячего водоснабжения городов. // Электромеханика. Электротехнологии. Электротехнические материалы и компоненты: XII-я Международная конференция. Труды МКЭЭЭ – 2008. –Крым, Алушта, 2008 г. – С. 209

10 Мугалимова А.Р., Мугалимов Р.Г. К определению оптимальной емкости компенсирующего конденсатора для энергосберегающего асинхронного электропривода. // Материалы 66-й научно-технической конференции: Сб. докл. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. – Т. 2. – С. 50-53

11 Мугалимова А.Р., Волкова Е.О., Мугалимов Р.Г. Системы холодного и горячего водоснабжения, отопления, водоотведения и водоочистки городов на основе применения энергосберегающих асинхронных электроприводов насосных агрегатов. // Отчет по НИР/МГТУ Г.Р. № 01200802543. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. – 71 С.

12 Мугалимова А.Р., Мугалимов Р.Г. Системы холодного и горячего водоснабжения, отопления, водоотведения и водоочистки городов на основе применения энергосберегающих асинхронных электроприводов насосных агрегатов. // Челябинская область. Инновационный потенциал. Каталог 2008. –Челябинск: Правительство Челябинской области, 2008. –С. 104-105

13 Мугалимова А.Р., Косматов В.И., Мугалимов Р.Г. К определению параметров схемы замещения компенсированного асинхронного двигателя при его создании путем реконструкции из традиционного двигателя. // Электротехнические системы и комплексы. Межвуз. сб. науч. трудов. Выпуск №15. Под ред. Радионова А.А. – Магнитогорск: МГТУ, 2009. – С. 67-76

14 Мугалимова А.Р. Энергосберегающий электропривод на основе компенсированных асинхронных двигателей для насосных агрегатов систем холодного и горячего водоснабжения городов. // Инновации молодых ученых: Сборник докладов Участников Молодежного Научно-Инновационного Конкурса на 67-й науч.-техн. конференции. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. – С. 110-116

15 Мугалимова А.Р., Волкова Е.О., Мугалимов Р.Г. Компьютерная программа для оценки целесообразности реконструкции традиционных асинхронных двигателей на двигатели с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для приводов насосных агрегатов систем водоснабжения. // Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов: сборник трудов Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов. 2009 г. – Тольятти: ТГУ, 2009. –С. 23-25

16 Мугалимова А.Р. Энергосберегающий электропривод на основе компенсированных асинхронных двигателей для насосных агрегатов систем холодного и горячего водоснабжения городов. // 7-ая международная науч.-техн. конференция «ЭЛМАШ-2009» 22-24 сентября 2009 г. – Москва, 2009.

17 Мугалимова А.Р., Волкова Е.О., Мугалимов Р.Г. Исследования энергоэффективности электроприводов на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности для приводов насосных агрегатов систем водоснабжения с помощью специализированной компьютерной программы ASYNCHRONN. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Шестнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3т. Т.2. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. – С. 11-13