Регулируемые электроприводы с вариаторами частоты вращения

Существуют регулируемые электроприводы, в которых электродвигатели работают практически с неизменной частотой вращения. Такие электроприводы состоят из нерегулируемого синхронного или асинхронного короткозамкнутогоэлектродвигателя и устройства, преобразующего постоянную частоту вращения электродвигателя в переменную частоту вращения насоса (рис. 59).

К таким устройствам относятся механические вариаторы, гидравлические и электромагнитные муфты скольжения различных типов. Основным преимуществом таких электроприводов является их низкая стоимость и возможность использования наиболее простых и надежных нерегулируемых электродвигателей любого типа (синхронных и др.). К недостаткам этой группы электроприводов относится наличие потерь скольжения, а также необходимость компоновки этого регулирующего устройства в один агрегат вместе с двигателем и насосом.

Привод с электромагнитными муфтами скольжения (ЭМС). В приводе насосов чаще всего используются ЭМС индукторного типа (ИМС), которые являются основным элементом электропривода. Индукторная муфта скольжения (рис. 60) состоит из индуктора с обмоткой возбуждения и якоря. Обмотка возбуждения получает пита­ние от источника постоянного или выпрямленного тока. Якорь ИМС соединен с асинхронным короткозамкнутым (или синхронным) электродвигателем, а индуктор — с механизмом (насосом). Якорь и индуктор изготавливаются из массивных отливок и поковок. Вращающий момент от двигателя к насосу передается через электромагнитное поле в зазоре между якорем и индуктором. Частота вращения насоса регулируется изменением тока возбуждения ИМС. Механические характеристики ИМС для разных значений тока возбуждения представлены на рис. 61. Характерной особенностью ИМС является наличие потерь скольжения, которые выделяются в виде тепла в якоре. ИМС. Это тепло в ИМС с передающим моментом до 2 кН · м отводится обычно воздушным охлаждением, а при передаваемых моментах больших 5 кН · м устраивается водяное охлаждение. Потери скольжения вычисляются с помощью уравнений, приведенных в § 12. При этом потери скольжения в ИМС существенно зависят от вида механической характеристики механизма. Как известно, механическая характеристика насоса зависит от его частоты вращения во второй, а в ряде случаев в 3–5-й степени. Благодаря этому обстоятельству максимальное значение мощности потерь скольжения не превышает 10–15% номинальной мощности электропривода и соответствуют 3/4 – 2/3 номиналь­ной частоты вращения. Средние значения мощности потерь скольжения оказываются еще меньше. Это и еще сравнительно низкая стоимость ИМС делают экономически выгодным их применение в электроприводе центробежных насосов. Обычно ИМС используются в электроприводе насосных агрегатов мощностью до 250 кВт [27].

Выбор оборудования для систем с ИМС осуществляются в следующем порядке.

Определяется мощность на валу насоса при работе с номинальной подачей и соответствующим ей напором по формуле (5).

Определяется момент сопротивления насоса при номинальной загрузке согласно (42).

По найденному значению момента сопротивленияиз каталога [54] подбирается ИМС, вращающий момент которой равен или больше момента сопротивления насоса М _вр³ М _с.

В соответствии с рекомендациями каталога [54] для возбуждения используются преобразователи тиристорные однофазные типа ПТО–230–32П. В настоящее время ПТО сняты с производства и заменены устройствами серии БУ–3509. Для возбуждения ИМС подходящим является устройство БУ–3509–22В–2У4. Номинальный ток устройства должен быть равен или больше тока возбуждения ИМС, т.е. I _н³ I _в.

В качестве приводного электродвигателя выбирается из каталога серийный короткозамкнутый асинхронный электродвигатель переменного тока соответствующей мощности (на 5–10% больше номинальной мощности насоса).

При использовании ИМС в электроприводе насосов следует иметь в виду низкое качество ИМС, изготавливаемых в настоящее время [26]. В связи с этим при подготовке ИМС к монтажу необходимо выполнить ряд операций, обеспечивающих их надежную работу [40].

Привод с гидромуфтами. Гидравлическая муфта (ГМ) состоит из двух колес: турбинного и насосного, помещенных в общую полость, заполненную машинным маслом (рис. 62). Турбинное (ведомое) колесо соединяется с насосом, а насосное (ведущее) колесо — с электродвигателем, который вращается практически с постоянной частотой вращения. Частота вращения ведомого колеса изменяется в зависимости от степени заполнения полости муфты рабочей жидкостью (маслом).

На рис. 63 показаны механические характеристики ГМ. Обращает на себя внимание наличие неустойчивой зоны работы ГМ (участок, ограниченный линиями а –b и d – с), обусловленной скачкообразными переформированиями потока жидкости в ГМ под действием центробежных сил. По этой причине механическая характеристика насоса должна располагаться ниже зоны неустойчивой работы. Это обстоятельство следует учитывать при выборе ГМ для насоса. В процессе регу­лирования частоты вращения ГМ, так же как и электромагнитная муфта, работает со скольжением. Поэтому электроприводы с ГМ по своим энергетическим характеристикам аналогичны приводу с ЭМС или электроприводу с дополнительными сопротивлениями в цепи ротора фазного асинхронного электродвигателя. Потери скольжения в ГМопределяются по (52). Потери скольжения нагревают рабочую жидкость (масло), поэтому для отвода тепла в состав ГМ включают холодильники.

К недостаткам ГМ относится также сложность конструкции, обусловленная необходимостью подавать рабочую жидкость (масло) во вращающиеся полости насосного и турбинного колес.

Наибольшее распространение получили ГМ в электроприводе питательных насосов тепловых электростанций. Отечественная промыш­енность выпускает ГМ. рассчитанные на электроприводы мощностью 2000–8000 кВт с частотой вращения 3000 об/мин [44]. Поскольку габариты ГМ, так же как и ЭМС, зависят от передаваемого момента, а момент обратно пропорционален номинальной частоте вращение электропривода, применение ГМ целесообразно преимущественно в насосных агрегатах с высокими значениями частоты вращения. В этом случае ГМ получаются довольно компактными.

Электропривод с механическими вариаторами. Существуют вариаторы различных типов; лобовые, шаровые, торовые и т.д.

В насосных агрегатах используются клиноременные вариаторы с раздвижными конусами. Основными элементами вариатора являются ведущий и ведомый шкивы, а также бесконечный клиновой ремень. Каждый из шкивов состоит из пары раздвижных конусов. Когда одну пару раздвигают, другая сдвигается. При этом ремень так перемещается в конусах, что рабочий радиус одной пары уменьшается, а другой — увеличивается. За счет этого изменяется передаточное отношение вариатора и осуществляется регулирование частоты вращения насоса при неизменной частоте вращения электродвигателя.

Частота вращения ведомого шкива

(75)

где n ₀ — постоянная частота вращения ведущего шкива; R — рабочий радиус ведущего шкива; r — то же ведомого шкива; ζ — коэффициент, учитывающий проскальзывание (до 0,97).

На рис. 64 вариатор показан в двух положениях. В нейтральном положении расстояния между конусами одинаковы, R ₁ = r₁, следовательно, n ₁ = n ₀. Когда конусы ведомого шкива раздвигаются, конусы ведущего сдвигаются, при этом рабочие радиусы изменяются; R ₂ > r₁, а следовательно, n ₂ > n ₀. Когда конусы ведущего шкива раздвигаются и сближаются конусы ведомого шкива, то n ₂ < n ₀. Передаточное отношение таких вариаторов обеспечивает диапазон изменения частоты вращения механизма в пределах до 1:8 – 1:12. Передаваемая мощность привода с вариаторами не превышает обычно 100–200 кВт.

Обычно электроприводом с механическим вариатором комплектуются насосные агрегаты мощностью до 150 кВт с подачей до 1500 м³ /ч и напором до 70 м. Номинальная частота вращения электродвигателя насоса 1500–1700 об/мин. Потери мощности в вариаторах такого типа составляют 4–7 % в зависимости от мощности и глубины регулирования.

Энергетическая эффективность способов регулирования насосных агрегатов, работающих с постоянной и переменной частотой вращения, характеризуется изменением потребляемой насосом мощности в зависимости отего подачи (рис. 66). Значения мощности и подачи для удобства сравнения даны в относительных единицах. Кривые 1 и 2 относятся к насосным агрегатам, работающим с постоянной частотой вращения, регулирование осуществляется сбросом жидкости в приемный резервуар через байпас и дросселированием напорных линий соответственно. Кривая 3 относится к насосам, частота вращения которых меняется ступенчато. Кривые 4–6 характеризуют потребление мощности насосами, частота вращения которых плавно изменяется с использованием различных видов регулируемого привода: с потерями скольжения, с рекуперацией потерь скольжения и без потерь скольжения соответственно.

Представленные на рис. 66 зависимости показывают, что регулирование подачи при переменной частоте вращения осуществляется с меньшими затратами энергии, чем при постоянной.

Необходимо обратить внимание, что любой вид регулируемого электропривода содержит в своем составе, то или иное устройство, преобразующее энергию (преобразователи, муфты и др.). В любом из этих устройств имеют место те или иные потери электроэнергии. Поэтому КПД любого насосного агрегата, оснащенного регулируемым электроприводом, всегда ниже, чем нерегулируемого,разумеется, при прочих равных условиях.

Энергетическая эффективность регулируемого привода обеспечи­вается главным образом тем, что с его помощью поддерживается более выгодный с энергетической точки зрения технологический процесс перекачки жидкости насосными установками. Необходимый режим работы насосных установок создается с помощью соответствующих систем управления. Современные системы управления режимами работы насосных установок различного назначения, содержащих в своем составе автоматизированный регулируемый электропривод, рассмотрены в гл. 6. Рекомендации по выбору вида регулируемого электропривода для различных условий их применения в САУ насосных установок даны в § 21.

Глава 6

Дата добавления: 2015-07-20