Використовуючи експериментальні дані для кожного випадку зміни напруги на статорі АД1, розрахувати величини S, Q, . Отримані дані заносять до таблиці 3.2.

Таблиця 3.2 – Експериментальні та розрахункові дані

7. Використовуючи експериментальні величини і розрахункові значення, побудувати графіки: , , , .

8. Проаналізувати отримані результати ефективності роботи АД (для даного ступеня завантаження) при різних значеннях напруги живлення.

Зміст звіту

8. Титульна сторінка.

9. Мета роботи, теоретичні відомості.

10. Функціональна схема лабораторної установки. Технічні параметри обладнання, яке використовується у стенді.

11. Таблиця експериментальних та розрахункових даних. Графіки залежностей: , , , .

12. Аналіз отриманих результатів. Висновки.

Контрольні питання

1. Як розподіляються втрати в АД?

2. За яких умов ККД двигуна максимальний?

3. Як визначається оптимальна напруга живлення, виходячи з критерію мінімуму втрат, при довільному завантаженні двигуна?

4. На який параметр АД можна впливати при його роботі з метою зміни співвідношення втрат?

5. Від чого залежать складові загальних втрат у АД?

Література: 1, 6, 7.

Лабораторна робота №4 дослідження складу та функціональних можливостей компютеризованого лабораторного комплексу гідротранспортної системи

МЕТА: Вивчити призначення, функціональні можливості та принцип дії лабораторного комплексу. Навчитися користуватися органами керування і контрольно-вимірювальною апаратурою

Технічний опис стенда

Лабораторний комплекс моделі гідротранспортної системи (ГТС) подачі води призначений для вивчення режимів роботи гідравлічних машин (насосів, турбін). Функціональну схему насосної установки (НУ) наведено на рисунку 4.1.

Лабораторний стенд для дослідження режимів роботи НУ включає перший і другий насоси (насос 1 і насос 2), з'єднані паралельно; приводні двигуни АД1, АД2 насосів; засувку Z1 на вході та засувку Z3 на подачі насоса 1; засувку Z2 на вході та засувку Z4 на подачі насоса 2; датчики тиску Н1 (стрілковий) і НЕ1 (електронний) на виході першого насоса; датчик тиску Н2 (стрілковий), датчик витрати Q1 другого насоса і датчик витрати води в гідромережі Q2. НУ працює за принципом циркуляційної системи, де приймальною і вихідною ємністю є резервуар з водою об’ємом 40 дм³.

Другий НА призначений для створення в трубопровідній системі протитиску (статичного напору) шляхом задання необхідної величини швидкості обертання приводного електродвигуна АД2 або зміною положення засувки Z4.

У силовому ланцюзі АД1 встановлений однофазний перетворювач частоти (ПЧ) з номінальною вхідною напругою 220 В. Контроль струму, напруги та споживаної потужності системи ПЧ-АД здійснюється амперметром А1, вольтметром U1, ватметром W1 відповідно. Контроль швидкості обертання АД1 здійснюється візуально за допомогою функціональних можливостей ПЧ. Датчик струму ДС1 і датчик напруги ДН1 призначені для електронного знімання миттєвих значень струму і напруги, що діють у ланцюзі АД1. Контроль швидкості обертання приводного двигуна насоса 1 відбувається за допомогою тахоґенератора ТГ1, установленого на одному валу з АД1.

У силовому ланцюзі АД2 установлений трифазний тиристорний реґулятор напруги ТРН з вхідною напругою 380 В. Контроль струму, напруги і споживаної потужності системи ТРН-АД2 здійснюється за допомогою амперметра А2, вольтметра U2 і ватметра W2 відповідно. Датчик струму ДС2 та напруги ДН2 призначені для електронного знімання миттєвих значень струму і напруги, що діють у ланцюзі АД2. Контроль швидкості обертання приводного двигуна другого насоса відбувається за допомогою тахоґенератора ТГ2, установленого на одному валу з АД2.

У трубопровідній мережі встановлена гідравлічна машина, що працює в турбінному режимі та ввімкнено паралельно засувці Z5 на подачі. Тиск турбіни контролюється датчиком тиску Н3 (стрілковий), який розташований після засувки Z6. На одному валу з турбінним аґреґатом установлений ґенератор постійного струму з незалежним збудженням (ГПС). Контроль струму ГПС здійснюється амперметром А3 і вольтметром U3 відповідно; контроль швидкості обертання вала турбіни відбувається за допомогою тахогенератора ТГ3, установленого на одному валу з ГПТ.

Паралельно якірному ланцюгу ґенератора ввімкнений активний навантажувальний опір R_н. Зміна режиму роботи ґенератора здійснюється впливом на ОЗ за допомогою керованого випрямляча (КВ), установленого в ланцюзі ОЗ. Контроль напруги і струму збудження ГПС здійснюється вольтметром U_зб і амперметром А_зб відповідно.

Засувка Z6А, установлена перед турбіною, у закритому положенні призначена для можливості виміру сумарного тиску приладом Н3 при одночасній роботі насоса 1 і насоса 2, у місці з'єднання потоків.

Для визначення втрат напору в трубопровідній мережі встановлений датчик тиску Н4 (стрілковий); для моделювання режимів роботи споживача, у гідравлічну мережу ввімкнена засувка Z7, зміна положення якої дозволяє імітувати тимчасове водоспоживання. Розміщення насосного, гідравлічного, силового устаткування, контрольно-вимірювальних приладів і органів керування зображено на загальному вигляді стенда (рисунок 4.2). Технічні дані устаткування, що використане у комплексі, зведені в таблиці 4.1 – 4.4.

Таблиця 4.1 – Технічні дані турбомеханизмів

Таблиця 4.2 – Технічні дані електромашин

Таблиця 4.3 – Технічні характеристики силової перетворювальної техніки

Таблиця 4.4 – Технічні дані лічильників витрати води

Порядок роботи зі стендом

1. Порядок запуску і зупинки насосів

Підключення стенда до мережі змінного струму здійснюється за допомогою автоматичного вимикача QF1, про що сигналізує лампа L1.

Запуск насоса 1

Перед запуском насоса 1 необхідно переконатися, що засувка Z1 відкрита (вільний доступ води в робочу порожнину насоса).

• Підключити ПЧ до мережі за допомогою К1, натиснувши кнопку „Пуск”. При цьому загориться лампа L2 (рис. 4.2).

• Використовуючи органи керування на лицьовій панелі ПЧ увімкнути перетворювач, запустити ЕП насоса 1, і встановити необхідну частоту обертання, (користуватися ПЧ необхідно після вивчення інструкції користувача даного устаткування).

Робота насоса 1

Існує можливість організувати роботу насоса 1 по двох ділянках трубопровідної мережі:

• через турбіну, засувки Z1, Z3, Z6, Z6A, Z7 – відкриті, Z5 – закрита;

• в обхід турбіни, через байпасну лінію, Z1, Z3, Z5, Z7 – відкриті, Z6 – закрита.

Реґулювання технологічних параметрів

Реґулювання технологічних параметрів насоса 1 здійснюються трьома способами:

• дроселюванням засувок Z3, Z5, Z7;

• активним впливом на комутації – за допомогою турбіни;

• зміною частоти обертання приводного двигуна насоса 1 – за допомогою ПЧ.

Контроль технологічних параметрів

Контроль параметрів здійснюється за допомогою наступних приладів:

• тиск – манометр Н1, електронний датчик тиску НЕ1;

• витрата – лічильник Q2;

• напруга на вході перетворювача – вольтметр U1;

• струм, споживаний системою ПЧ-АД, – амперметр А1;

• потужність, споживана системою ПЧ-АД, – ватметр W1;

• струм і напруга АД1 – датчики струму ДС1 і напруги ДН1 відповідно.

Швидкість обертання вала насоса 1 визначається за допомогою ПЧ.

Порядок відключення насоса 1

Використовуючи органи керування на лицьовій панелі ПЧ, відключити ЕП, вимкнути ПЧ. Натиснути кнопку „Стоп” на К1 (рис.4.2).

Попередження

• не запускати насос при закритій засувці Z1;

• не вмикати ПЧ, не вивчивши інструкцію користувача;

• не вимикати ЕП насоса 1 натисканням кнопки К1 «Стоп», не відключивши ПЧ.

Запуск насоса 2

Перед запуском насоса 2 необхідно переконатися, що засувка Z2 відкрита, а Z3 – закрита.

• Підключити ТРН до мережі за допомогою К2, натиснувши кнопку „Пуск”. При цьому загориться лампа L3 (рис. 4.2).

• Використовуючи органи керування на лицьовій панелі ТРН, увімкнути ТРН, потім запустити ЕП насоса 2 (користуватися ТРН необхідно після вивчення інструкції та призначення органів керування на лицьовій панелі).

Робота насоса 2

Роботу насоса 2 можливо організувати по двох ділянках трубопровідної мережі:

• через засувки Z2, Z4, Z6, Z6A, Z7 – відкриті, Z3, Z5 – закриті;

• в обхід турбіни, через байпасну лінію Z2, Z4, Z5, Z7 – відкриті, Z3, Z6 – закриті.

Реґулювання технологічних параметрів

Реґулювання технологічних параметрів насоса 2 здійснюється трьома способами:

• дроселюванням засувок Z4, Z5, Z7;

• активним впливом на комутації – за допомогою турбіни;

• зміною частоти обертання приводного двигуна насоса 2 – за допомогою ТРН.

Контроль технологічних параметрів

Контроль параметрів здійснюється за допомогою наступних приладів:

• тиск – манометр Н2;

• витрата – лічильник витрати Q2;

• напруга на вході ТРН – вольтметр U2;

• струм, споживаний системою ТРН-АД, – амперметр А2;

• потужність, споживана системою ТРН-АД, – ватметр W2;

• напруга на виході ТРН визначається на лицьовій панелі ТРН;

• струм і напруга АД2 – датчики струму ДС2 і напруги ДН2 відповідно;

• швидкість обертання вала насоса 2 – датчик n2.

Порядок відключення насоса 2

Використовуючи органи керування на лицьовій панелі ТРН, відключити ЕП, вимкнути ТРН. Натиснути кнопку „Стоп” на К2.

Попередження

• не запускати насос при закритій засувці Z2 і відкритій Z3;

• не вмикати ТРН, не вивчивши інструкцію користувача.

2. Одночасна робота насоса 1 і насоса 2

Запуск насоса 1 і насоса 2

При одночасній роботі насосів їхній запуск здійснюється по черзі, при цьому порядок включення не має значення.

Робота насосів

Роботу насосів можливо організувати по двох ділянках трубопровідної мережі: через турбіну та в обхід турбіни (положення засувок аналогічне, як і при поодинокій роботі).

Контроль технологічних параметрів

Контроль технологічних, електричних, енергетичних параметрів здійснюється відповідними приладами, позначеними вище (поодинока робота насосів).

Для виміру загального напору двох насосів необхідно закрити Z6А, а Z6 – відкрити.

Небажано при рівнобіжній роботі знижувати частоту живильного напруги на ЕП насоса 1 нижче 30Гц, тому що подача насоса при цьому припиняється.

3. Робота системи турбіна-генератор

Турбіна включається в роботу в складі ділянки трубопроводу при наступних положеннях засувок: Z6, Z6А, Z7 – відкриті, а Z5 – закрита.

ГПС включається в роботу при подачі напруги на його ОЗ за допомогою блока живлення БЖ (рис.4.2).

Реґулювання параметрів

Реґулювати витрату рідини, що проходить через турбіну, можна за допомогою засувок Z6, Z6А і в такий спосіб змінювати швидкість обертання.

Змінювати швидкість обертання і витрати рідини через турбіну можна за допомогою навантаження, підключеного до ґенератора, а також змінюючи величину струму збудження ґенератора.

Контроль технологічних параметрів

Технологічні параметри турбіни контролюються наступними приладами:

• тиск перед турбіною – манометром Н3;

• витрата рідини через турбіну – лічильником витрати Q2;

• швидкість обертання – датчиком n3;

• напруга ОЗ ГПС – вольтметром U_зб;

• струм ОЗ ГПС - амперметром А_зб;

• напруга в якірному ланцюзі ґенератора - вольтметром U3;

• струм у якірному ланцюзі – амперметром А3.

Примітки. При малих витратах і малому тиску перед турбіною система турбіна-ґенератор не працює.

Зміст звіту

1. Титульна сторінка.

2. Мета роботи.

3. Призначення основного устаткування лабораторного комплексу.

4. Опис можливих методів реґулювання на даному лабораторному комплексі.

5. Послідовність запуску гідромашин відповідно до перерахованих методів реґулювання.

Контрольні питання

1. Для чого призначений лабораторний комплекс?

2. Яке обладнання входить до складу комплексу?

3. Для чого призначені перший та другий насоси?

4. Як змінювати продуктивність насосних аґреґатів?

5. Назвати призначення турбінного аґреґату?

6. Як здійснюється контроль технологічних та енергетичних параметрів обладнання?

Література: 2, 6, 8.

Лабораторна робота №5 дослідження енергозберігаючих технологій при використанні гідротранспортних систем

МЕТА: Дослідити енергозберігаючі способи управління насосним обладнанням

Основні теоретичні відомості

Під реґулюванням режимів роботи НУ розуміють навмисну зміну подачі та напору насосів відповідно до нового режиму роботи системи споживача. Реґулювання продуктивності НА може здійснюватися дією на турбомеханізм (поворот лопаток робочого колеса), дією на мережу (дроселювання засувкою), дією на привод турбомеханізму (зміною швидкості обертання робочого колеса одного з насосів), а також зміною кылькосты працюючих одночасно аґреґатів.

Характеристики НУ і мережі при реґулюванні подачі води дроселюванням наведено на рис. 5.1.

Рисунок 5.1 – Реґулювання продуктивності насоса дроселюванням

При повністю відкритій засувці точка робочого режиму А визначає режим роботи установки, тобто подачу Q_A, напiр H_A, потужність N_A та ККД η_А машини. У разі прикриття дроселя на напірній трубі положення характеристики трубопроводу зміниться і точка А пересунеться вліво вгору і займе положення В. Подальше прикриття дроселя викликає зсув характеристики трубопровідної системи ще вище, і точка А пересунеться в точку С, визначивши нові значення параметрів Q_С, H_С, N_С, η_С. Отже, дросельне реґулювання при постійній швидкості обертання насоса досягається введенням додаткового гідравлічного опору в мережу трубопроводів турбомеханізму. Оскільки найбільша подача досягається при повністю відкритому дроселі, дросельне реґулювання застосовують тільки з метою зменшення подачі. Із рис. 5.2 видно, що дроселювання зменшує потужність на валу насоса і разом з тим підвищує частку енергії, що витрачається при реґулюванні; тому воно неекономічне. Так, при реґулюванні до подачі Q_С з напором, що непродуктивно витрачається в дроселі, визначається відрізком H_зд, а потужність, що втрачається при цьому, буде дорівнювати:

. (5.1)

Чим глибше здійснюється процес реґулювання дроселюванням, тим більш непродуктивною є витрата потужності.

На рисунку 5.2 показано положення напірних характеристик при реґулюванні подачі зміною частоти обертання робочого колеса насоса .

Оскільки положення засувки залишається незмінним, загальний опір трубопроводу не змінюється і положення його характеристики буде колишнім. При зменшенні частоти обертання робочого колеса точка робочого режиму А переміщатиметься за характеристикою Q-H_м, подача і напір насоса зменшуватимуться. Зменшення швидкості обертання з метою реґулювання продуктивності має сенс тільки до певної величини, при якій напір турбомеханізму стає таким, що дорівнює статичному (точка D, рис. 5.2). Продуктивність насоса при цьому знижується до нуля. При подальшому зниженні продуктивності напір, що розвивається турбомеханізмом, буде недостатній, щоб подолати статичний напір у мережі. Потужність і ККД можуть бути визначені з кривих потужності та ККД за наявними значеннями подачі Q_А, Q_В.

Рисунок 5.2 – Реґулювання продуктивності насоса зміною частоти обертання

Реґулювання зміною частоти обертання робочого колеса є набагато ефективнішим і економічнішим способом, оскільки при цьому відсутня непродуктивна втрата потужності.

Серед альтернативних способів реґулювання вихідних технологічних параметрів НС заслуговує на увагу спосіб зміни опору трубопровідної мережі за допомогою використання системи активного реґулювання продуктивності (САРП), до складу якої входять турбіна, ґенератор і система реґулювання потужності турбіни. При цьому гідротурбіна виконує роль активного реґулюючого опору, що дозволяє здійснити реґулювання подачі в необхідних технологічних межах з одночасним поверненням частини енергії назад до енергомережі. Порівняльний аналіз енергопроцесів при зміні продуктивності реґулюванням дроселюванням, напрямним апаратом, активним впливом на мережу і частотою обертання показав, що за енергетичними показниками використання активних реґулювальних пристроїв у насосних комплексах (НК) поступається лише реґулюванню зміною швидкості обертання робочого колеса аґреґата і значно перевершує реґулювання дроселюванням і напрямним апаратом.

Можливості лабораторної ГТС передбачають реалізацію трьох методів реґулювання продуктивності: дроселювання потоку засувкою на виході основного НА, реґулювання зміною швидкості обертання робочого колеса насоса засобами частотно-реґульованого привода та реґулювання параметрів шляхом активного впливу на трубопровідну мережу з використанням гідротурбіни, установленої в обвідному трубопроводі, вал якої з'єднаний з ГПС.

Турбіна виконує роль активного реґулювального пристрою, що здійснює зміну технологічних параметрів (продуктивності й тиску), і передає на вал ґенератора механічну енергію, що, у свою чергу, повертається до енергомережі з деякими втратами, зумовленими внутрішніми втратами в самій турбіні й в електромеханічному перетворювачі.

Запропоновані системи активного реґулювання параметрів НУ, крім розв’язання технологічної задачі реґулювання витрати чи тиску в трубопровідній мережі, можуть розв’язувати проблеми, пов'язані з гідрозахистом НС від неприпустимого перевищення тиску чи різкого зниження продуктивності до нуля на виході гідромашини, що викликані аварійними режимами роботи устаткування (раптовим відключенням електроживлення насосів, різким закриттям засувок, пуском чи зупинкою турбомашин та ін.).

Опис лабораторної установки

На рисунку 5.3 наведено фраґмент технологічної схеми лабораторної моделі НУ, що включає напірний патрубок відцентрового НА, який здійснює напірну подачу води; реґулювальну засувку Z5; датчики тиску НЕ2, НЕ3 і витрати Q2 на виході НА; обвідний трубопровід з турбіною й реґулювальними засувками на вході Z6 та Z6А; ґенератор з реґульованою напругою збудження, який встановлено на одному валу з турбіною; датчики струму А3 і напруги U3 у якірному ланцюзі ґенератора; датчики струму А_зб і напруги U_зб ОЗ; датчик вимірювання швидкості обертання вала турбіни ТГ3.

Рисунок 5.3 – Ділянка технологічної схеми лабораторної моделі НУ

Реґулювати потужність турбіни можливо двома способами: шляхом дроселювання потоку на вході турбіни або зміною частоти обертання вала турбіни реґулюванням напруги збудження ґенератора.

У першому випадку, змінюючи положення засувки Z6 при відкритій засувці Z6А, реґулюють кількість рідини, яка проходить через турбіну, відповідно до вимог споживача та величину енергії, яка повертається до мережі. При цьому вимірюють: продуктивність Q НУ, напір на вході турбіни Н_вх.т (прилад Н3), напір на виході турбіни Н_вих.т (прилад НЕ3), споживану насосом потужність Р_спож, напругу U_зб і струм I_зб ОЗ ґенератора, напругу U_я та струм I_я на затискачах якоря ґенератора, швидкість обертання робочого колеса турбіни n_Т.

Напір турбіни являє собою різницю напору на вході й виході гідромашини:

. (5.2)

Потужність, що відбирається турбіною від протікаючої рідини:

, (5.3)

де  – щільність потоку робочого середовища;

g – прискорення вільного падіння.

Через наявність втрат енергії в самій турбіні, зумовлених тертям рідини об стінки, внутрішніми перетіканням рідини в гідромашині з області високого тиску до області низького тиску, втрат у підшипниках, сальниках не вся потужність передається валу й корисно використовується. Тоді ККД системи турбіна-ґенератор (Т-Г) визначається відповідно до виразу:

, (5.4)

де – потужність, затрачувана в ОЗ;

– потужність, що віддається до мережі.

Порядок виконання роботи Регулювання за допомогою турбінного пристрою

2. Вивчити теоретичний матеріал стосовно методів реґулювання продуктивності НА.

3. Ознайомитися з функціональною схемою стенда. Вивчити призначення і розташування органів керування та контролю.

4. Підготувати ділянку трубопровідної мережі до проведення наступної роботи (засувки Z1, Z3, Z6, Z6А, Z7 відкриті; Z2, Z4, Z5 закриті).

5. Запустити приводний АД1 насоса 1 (частота f живлячої мережі 50 Гц).

6. За допомогою керованого випрямляча ОЗ системи турбіна – ґенератор установити струм збудження в межах , при цьому в гідромережі встановиться відповідна продуктивність Q_роб.

7. Користуючись контрольно-вимірювальними приладами зняти наступні експериментальні дані: продуктивність Q_роб (лічильник витрати Q2), тиск (прилад Н1), споживана потужність N1 двигуна АД1 (ватметр W1), струм АД1 (прилад А1), напруга АД1 (прилад U1), струм ґенератора (прилад А3), напруга генератора (прилад U3), струм ОЗ (прилад А_зб), напруга ОЗ (прилад U_зб).

8. Експериментальні величини занести до таблиці 5.1 у розділ А “Регулювання за допомогою турбінного пристрою”.

9. Використовуючи експериментальні дані розрахувати:

   • повну споживану потужність НУ:

,

де U – напруга мережі, В;

I – струм у ланцюзі ПЧ-АД, А;

• споживану реактивну потужність:

,

де N₁ – потужність, споживана приводним двигуном, Вт;

S – споживана повна потужність, ВА;

• коефіцієнт потужності:

;

• споживану потужність ОЗ ґенератора Р_зб;

• генеруєму потужність системи Т – Г Р_ген;

• ККД системи:

,

де ρ – щільність води, ρ=1000 кг/м³;

Q_i – витрата, м³/с;

Н_i – напір, м.

10. Розрахункові величини занести до таблиці 5.1 у розділ А “Реґулювання за допомогою турбінного пристрою”.

Таблиця 5.1 – Експериментальні та розрахункові величини

Регулювання за допомогою засувки

11. Підготувати ділянку трубопровідної мережі до проведення наступних досліджень (засувки Z1, Z3, Z5, Z7 відкриті; Z2, Z4, Z6, Z6А закриті).

12. Запустити приводний АД насоса 1 (частота f живлячої мережі 50 Гц).

13. Змінюючи положення засувки Z5, встановити в трубопровідній мережі продуктивність, величина якої дорівнює Q_роб, встановленої в п. 5 .

14. Користуючись контрольно-вимірювальними приладами зняти наступні експериментальні дані: продуктивність Q_роб (лічильник витрати Q2), тиск (прилад Н1), споживана потужність N1 двигуна АД1 (ватметр W1), струм АД1 (прилад А1), напруга АД1 (прилад U1).

15. Експериментальні величини занести до таблиці 5.1 у розділ (В “Реґулювання за допомогою засувки”).

16. Використовуючи експериментальні дані розрахувати:

    • повну споживану потужність НУ;

    • споживану реактивну потужність;

    • коефіцієнт потужності;

    • ККД системи.

Регулювання зміною частоти обертів

17. Підготувати ділянку трубопровідної мережі до проведення наступного експерименту (засувки Z1, Z3, Z5, Z7 відкриті; Z2, Z4, Z6, Z6А закриті).

18. Запустити приводний АД1 насоса 1 (частота f живлячої мережі 50 Гц).

19. Змінюючи за допомогою ПЧ частоту живлячої мережі приводного двигуна АД1 змінити частоту обертів насоса 1 та встановити в трубопровідній мережі продуктивність, величина якої дорівнює Q_роб, встановленої в п. 5.

20. Користуючись контрольно-вимірювальними приладами зняти наступні експериментальні дані: продуктивність Q_роб (лічильник витрати Q2), тиск (прибор Н1), споживана потужність N1 двигуна АД1 (ватметр W1), струм АД1(прибор А1), напруга АД1(прибор U1).

21. Експериментальні величини занести до таблиці 5.1 у розділ (В “Реґулювання за допомогою засувки”).

22. Використовуючи експериментальні дані розрахувати:

    • повну споживану потужність НУ;

    • споживану реактивну потужність;

    • коефіцієнт потужності;

    • ККД системи.

23. Використовуючи розрахункові дані таблиці 5.1 проаналізувати отримані результати на предмет споживаної енергії установкою при однакових значеннях продуктивності та різних способах регулювання.

Зміст звіту

1. Титульна сторінка.

2. Мета і програма роботи.

3. Таблиця з експериментальними даними.

4. Розрахунок величин зазначених у розділі “Порядок виконання роботи”.

5. Залежності , , , , .

6. Висновок.

Контрольні питання

1. Який основний метод регулювання продуктивності НУ у даний момент застосовується на практиці і чому?

2. Чому метод реґулювання продуктивності за допомогою засувки не оптимальний з енергетичної точки зору?

3. Чи тільки система ПЧ-АД здатна забезпечити реалізацію методу реґулювання продуктивності зміною частоти обертання?

4. Як змінюється коефіцієнтів потужності при використанні ПЧ?

5. Поясніть метод реґулювання продуктивності активним впливом на комунікації?

Література: 4, 6, 7, 8.

Лабораторна робота №6 дослідження енергетичних показників еп вентилятора при різних способах реґулювання продуктивністю

МЕТА: Дослідити енергозберігаючі режими роботи вентиляторної установки при реґулюванні продуктивності

Основні теоретичні відомості

Вентиляторні установки (ВУ) є невід’ємною частиною багатьох промислових і енергетичних установок. У теплоенергетичних системах вентилятори застосовуються для подачі повітря до топкових камер пароґенераторів, переміщення димових газів в атмосферу тощо.

Аеродинамічні комплекси широко застосовуються для провітрювання шахт, котельних відділень, виробничих, службових та житлових приміщень. Таким чином, ВУ є відповідальними і досить енергоємними аґреґатами. Аналіз режимів їх роботи показує, що в більшості ці режими є змінними й залежать від багатьох факторів. За час роботи вентилятора може мати місце досить широка зміна технологічних та енергетичних показників. Тому необхідно забезпечити можливо більшу область економічних режимів роботи ВУ з метою зменшення енергоспоживання.

Опис функціональної схеми стенда

Лабораторний комплекс ВУ призначений для вивчення режимів роботи вентилятора; процесів, які відбуваються в трубопровідній повітряній мережі; принципу роботи контрольно-вимірювальної апаратури (манометрів, витратоміра, вольтметрів, амперметрів); функціонування гідравлічного устаткування.

Функціональна схема установки наведена на рисунку 6.1. Розміщення обладнання, контрольно-вимірювальних приладів і органів керування зображені на схемі лицьової панелі стенда (рис.6.2).

До складу лабораторного стенда ВУ входить вентилятор із приводним двигуном АД1; електрифікована засувка Z1 на виході вентилятора; манометр ДТ1 і датчик тиску НЕ1 на виході вентилятора (перед засувкою), витратомір ДСС (самопис) і датчик витрати Q2 (зі струмовим виходом).

ВУ працює на видування у вентиляційну систему. У силовому ланцюзі АД1 встановлений ПЧ із номінальною вхідною напругою 220 В. Контроль струму, напруги й споживаної потужності системи ПЧ-АД проводиться амперметром А1, вольтметром U1, ватметром W1 відповідно. Контроль швидкості обертання АД1 здійснюється датчиком швидкості ТГ. Датчик струму ДС1 і напруги ДН1 призначені для електронного зняття миттєвих значень струму й напруги, які діють у ланцюзі АД1.

Сигнали з електронних датчиків НЕ1, ДС1, ДН1, ТГ, Q2 надходять на контролер інформаційного обміну, далі на перетворювач інтерфейсу зв'язку й потім на ЕОМ, за допомогою якої відбувається оперативне опитування датчиків, обробка даних згідно з вибраним алгоритмом функціонування й командами оператора.

Модель повітродувки дозволяє досліджувати енергетичну ефективність роботи ВУ, що працює на реальну аеродинамічну мережу при використанні наступних методів реґулювання продуктивності: реґулюванні засувкою, установленою на виході вентилятора; реґулюванні зміною частоти обертання робочого колеса вентилятора й реґулюванні подачі шляхом установки напрямного апарата на вході; комбінованому реґулюванні продуктивності.

Технічні дані обладнання, що використовується в лабораторному комплексі, наведено у таблицях 6.1 – 6.3.

Таблиця 6.1 – Технічні дані вентилятора

Таблиця 6.2 – Технічні дані електромашин

Таблиця 6.3 – Технічні характеристики силової перетворювальної техніки

Датчик витрати призначений для перетворення вимірюваної різниці тисків на електричні сигнали, які передаються на вторинний прилад. В якості вторинного приладу використовуються диференційно-трансформаторні схеми. Датчик тиску призначений для роботи в системах автоматичного контролю, реґулювання та керування технологічними процесами та забезпечує безперервне перетворення значення вимірюваного параметра тиску на уніфікований струмовий вихідний сигнал дистанційної передачі.

Порядок виконання роботи Реґулювання за допомогою направляючого апарата

1. Вивчити теоретичний матеріал стосовно методів реґулювання продуктивності повітродувок.

2. Ознайомитися з функціональною схемою стенда. Вивчити призначення і розташування органів керування та контролю.

3. Підготувати ділянку трубопровідної мережі до проведення роботи (направляючий апарат та засувка Z1 відкриті).

4. Запустити приводний двигун вентилятора АД1. Для цього:

4.1 Увімкнути автоматичний вимикач QF1 (на панелі загориться лампа L1).

4.2 Подати живлення на ПЧ натисканням кнопки „Пуск” К1 (на панелі загориться лампа L2).

4.3 Увімкнути вимикач SB1 для живлення електрифікованої засувки, приладу РУ та датчика витрати Q1 (на панелі загориться сигнальна лампа Н L1).

4.4 Запустити вентилятор, переключивши тумблер SB2 у положення „Пуск”.

4.5 Ручкою на панелі стенда „Частота” встановити частоту живлення ЕП вентилятора 50 Гц.

5. Змінюючи положення направляючого апарата на вході вентилятора в аеромережі встановити продуктивність Q_роб у межах 0,3 - 0,7 Q_ном , контролюючи величину за приладом ДСС.

6. Користуючись контрольно-вимірювальними приладами зняти наступні експериментальні дані: продуктивність Q_роб (лічильник витрати Q1), тиск Н_і (прилад ДТ1), споживана потужність N1 двигуна АД1 (ватметр W1), струм АД1 (амперметр І_дв), напруга АД1 (вольтметр U_дв).

7. Зняті дані занести до таблиці 6.4 у розділ А “Реґулювання за допомогою направляючого апарата”.

8. Використовуючи експериментальні дані розрахувати:

• споживану повну потужність ВУ;

• споживану реактивну потужність;

• коефіцієнт потужності;

• ККД системи:

, (6.1)

де ρ – щільність повітря, ρ=1,2 кг/м³;

9. Розрахункові значення занести до таблиці 6.4 у розділ А “Розрахункові величини”.

Реґулювання за допомогою засувки

10. Підготувати ділянку трубопровідної мережі до проведення наступної роботи (направляючий апарат та засувка Z1 відкриті).

11. Запустити приводний двигун вентилятора АД1 (частота f живлячої мережі 50 Гц) як вказано у п. 4.

12. Змінюючи положення засувки Z1, установити в трубопровідній мережі продуктивність, величина якої дорівнює Q_роб, установленої в п. 5.

13. Користуючись контрольно-вимірювальними приладами зняти наступні експериментальні дані: продуктивність Q_роб (лічильник витрати Q1), тиск Н₁ (прилад ДТ1), споживана потужність N1 двигуна АД1 (ватметр W1), струм АД1 (амперметр І_дв), напруга АД1 (вольтметр U_дв).

14. Зняті дані занести до таблиці 6.4 у розділ В. “Реґулювання за допомогою засувки”.

15. Використовуючи експериментальні дані розрахувати:

• споживану повну потужність ВУ;

• споживану реактивну потужність;

• коефіцієнт потужності;

• ККД системи.

16. Розрахункові значення занести до таблиці 6.4 у розділ В “Розрахункові величини”.

Реґулювання зміною частоти обертів

17. Підготувати ділянку трубопровідної мережі до проведення наступної роботи (направляючий апарат та засувка Z1 відкриті).

18. Запустити приводний двигун вентилятора АД1 (частота f живлячої мережі 50 Гц) в послідовності, вказаної в п. 4.

19. Змінюючи за допомогою ПЧ частоту живлення приводного двигуна вентилятора АД1, установити в трубопровідній мережі продуктивність Q_роб , величина якої дорівнює Q_роб , установленої в п. 5.

20. Користуючись контрольно-вимірювальними приладами зняти наступні експериментальні дані: продуктивність Q_роб (лічильник витрати Q1), тиск Н₁ (прилад ДТ1), споживана потужність N1 двигуна АД1 (ватметр W1), струм АД1 (амперметр І_дв), напруга АД1 (вольтметр U_дв).

21. Зняті дані занести до таблиці 6.4 у розділ С “Реґулювання зміною частоти обертів”.

22. Використовуючи експериментальні дані розрахувати:

• споживану повну потужність ВУ;

• споживану реактивну потужність;

• коефіцієнт потужності;

• ККД системи.

17. Розрахункові значення занести до таблиці 6.4 у розділ С “Розрахункові величини”.

18. Використовуючи розрахункові дані таблиці 6.4, проаналізувати отримані результати на предмет споживаної енергії ВУ при однакових значеннях продуктивності Q_роб та різних способах реґулювання.

Таблиця 6.4 – Експериментальні та розрахункові дані

Зміст

1. Титульна сторінка.

2. Мета та короткі теоретичні відомості.

3. Спрощена функціональна схема установки.

4. Технічні параметри обладнання, яке використовується у стенді.

5. Розрахунок величин, зазначених у розділі “Порядок виконання роботи”.

6. Таблиця експериментальних та розрахункових даних.

7. Графіки залежностей , , , , .

8. Аналіз отриманих результатів. Висновки.

Контрольні питання

1. Які методи реґулювання реалізуються на базі лабораторного комплексу?

2. Які датчики використовуються для виміру технологічних параметрів ВУ?

3. Охарактеризуйте енергетичні показники основних методів реґулювання продуктивності вентиляторів .

4. Сформулюйте вимоги до ЕП ВУ.

5. Які параметри впливають на ККД установки?

Література: 3, 6, 8.

Лабораторна робота №7

Пряме перетворення сонячної енергії в електричну. Дослідження фотоелектричного перетворювача енергії - сонячної батареї

Мета роботи: вивчити принцип перетворення сонячної енергії в електричну. Досліджувати основні технічні характеристики фото-електричної батареї.

Загальні відомості

Сонце є основним джерелом енергії, що забезпечує існування життя на Землі. Внаслідок реакцій ядерного синтезу в активнім ядрі Сонця досягаються температури до 10⁷ К. При цьому поверхня Сонця має температуру близько 6000 К. Електромагнітним випромінюванням сонячна енергія передається у космічному просторі й досягає поверхні Землі. Уся поверхня Землі одержує від Сонця потужність близько 1,210¹⁷ Вт. Це еквівалентно тому, що менш однієї години одержання цієї енергії досить, щоб задовольнити енергетичні потреби всього населення Земної кулі протягом року. Максимальна щільність потоку сонячного випромінювання, що приходить на Землю, становить приблизно, 1 кВт/м^2.. Для населених районів залежно від місця, часу доби й погоди потоки сонячної енергії міняються від 3 до 30 МДж/м² у день.

У середньому для створення комфортних умов життя потрібно приблизно 2 кВт енергетичної потужності на людину або приблизно 170 МДж енергії в день. Якщо прийняти ефективність перетворення сонячної енергії в зручну для споживання форму 10 % і потік сонячної енергії 17 МДж/м² у день, то необхідну для однієї людини енергію можна одержати з 100 м² площі земної поверхні. При середній щільності населення в містах 500 людей на 1 км² на одну людину доводиться 2000 м² земної поверхні. Таким чином, досить усього 5 % цієї площі, щоб за рахунок сонячної енергії, що знімається з неї, задовольнити енергетичні потреби людини.

Для характеристики сонячного випромінювання використовуються наступні основні величини.

Потік випромінювання - величина, рівна енергії, стерпної електромагнітними хвилями за одну секунду через довільну поверхню. Одиниця виміру потоку випромінювання - Дж/с=Вт.

Щільність потоку випромінювання (енергетична освітленість) - величина, рівна відношенню потоку випромінювання до площі поверхні, що рівномірно опромінюється їм. Одиниця виміру щільності потоку випромінювання - Вт/м².

Щільність потоку випромінювання від Сонця, що падає на перпендикулярну йому поверхню поза земною атмосферою, називається сонячною константою S, яка рівна 1367 Вт/м².

Світловий потік. Світловим потоком називається потік випромінювання, оцінюваний по його впливу на людське око. Людське око неоднаково чутливе до потоків світла з різними довжинами хвиль. Звичайно при денному світлі очі найбільш чутливі до світла з довжиною хвилі 555 нм. Тому однакові по потужності потоки випромінювання, але різних довжин хвиль викликають різні світлові відчуття в людини. Одиницею виміру світлового потоку з погляду сприйняття його людським оком (яскравості) є люмен (лм). Світловий потік в 1 лм білого світла рівний 4,6*10^-3 Вт (або 1Вт=217 лм).

Освітленість - величина, рівна відношенню світлового потоку, що падає на поверхню, до площі цієї поверхні. Освітленість виміряється в люксах (лк). 1 лк = 1 лм/м². Для білого світла 1 лк = 4,610^-3 Вт/м² (або 1 Вт/м²=217 лк).

Прилади, призначені для виміру освітленості, називаються люксметрами.

Освітленість, створювана різними джерелами

У зв'язку з більшим потенціалом сонячної енергії надзвичайно привабливим є максимально можливе безпосереднє використання її для потреб людей.

При цьому самим оптимальним представляється пряме перетворення сонячної енергії в найпоширенішу у використанні електричну енергію.

Це стає можливим при використанні такого фізичного явища як фотоефект.

Фотоефектом називаються електричні явища, що відбуваються при висвітленні речовини світлом, а саме: вихід електронів з металів (фотоелектрична емісія або зовнішній фотоефект), переміщення зарядів через границю розділу напівпровідників з різними типами провідності (p-n) (вентильний фотоефект), зміна електричної провідності (фотопровідність).

При висвітленні границі розділу напівпровідників з різними типами провідності (p-n) між ними встановлюється різниця потенціалів (фотоЭДС). Це явище називається вентильним фотоефектом, і на його використанні засноване створення фотоелектричних перетворювачів енергії (сонячних елементів і батарей).

Найпоширенішим напівпровідником, використовуваним для створення сонячних елементів, є кремній.

Сонячні елементи характеризуються коефіцієнтом перетворення сонячної енергії в електричну, який являє собою відношення падаючого на елемент потоку випромінювання до максимальної потужності вироблюваної їм електричної енергії. Кремнієві сонячні елементи мають коефіцієнт перетворення 10-15 % ( тобто при освітленості 1 кВт/м² виробляють електричну потужність 1-1,5 Вт) при створюваній різниці потенціалів близько 1 В.

Типова структура сонячного елемента з p-n переходом зображена на мал.1.1 і містить у собі: 1 - шар напівпровідника (товщиною 0,2-1,0 мкм) з n-провідністю; 2 - шар напівпровідника (товщиною 250-400 мкм) з p- провідністю; 3 - додатковий потенційний бар'єр (товщиною 0,2 мкм); 4 - металевий контакт із тильної сторони; 5 - сполучний провідник з лицьовою поверхнею попереднього елемента; 6 - противовідбівне покриття; 7 - лицьовий контакт; 8 - сполучний провідник до тильного контакту наступного елемента. Характерний розмір сонячного елемента 10 см.

Сонячні елементи послідовно з'єднуються в сонячні модулі, які у свою чергу паралельно з'єднуються в сонячні батареї, як зображено на мал. 1.2.

У 1958 році вперше сонячні батареї були використані в США для енергозабезпечення штучного супутника Землі Vanguard 1. Надалі вони стали невід'ємною частиною космічних апаратів.

Широко відомі мікрокалькулятори, годинник, радіоприймачі й багато інші електронні апарати, що працюють на сонячних батареях.

Рис. 1.1. Структура сонячного елемента

Рис. 1.2. Е - сонячний елемент; М - сонячний модуль;

Б - сонячна батарея

За останні роки світовий продаж сонячних модулів склав по сумарній потужності 25 МВт у 1986 році й близько 60 МВт - у 1991 році.

Повна вартість сонячних елементів з 1974 по 1984 рік впала приблизно з 100 до 4 доларів США на 1 Вт максимальної потужності. Передбачається зниження цієї величини до 0,8 доларів США. Однак навіть при повній вартості сонячних елементів 4 долара США на 1 Вт плюс допоміжної апаратури 2 долара США на 1 Вт при опроміненні місцевості 20 МДж/м² у день і довговічності сонячних батарей 20 років вартість вироблюваної ними електроенергії становить приблизно 16 центів США за 1 кВтгод (4,4 цента за МДж). Це цілком конкурентоспроможне з електроенергією, вироблюваної дизельгенераторами, особливо у віддалених районах, де вартість доставки палива й обслуговування різко зростає. Очікується, що в найближчі кілька років сонячні батареї будуть широко використовуватися країнами, що розвивати в сільських місцевостях в освітлювальних системах і системах водопостачання.

Основні компоненти сонячної енергетичної установки зображені на мал. 1.3 і містять у собі: Б - сонячну батарею із приладами контролю й керування; А - акумуляторну батарею; І - інвертор для перетворення постійного струму сонячної батареї в змінний струм промислових параметрів, споживаний більшістю електричних пристроїв.

Незважаючи на нерівномірність добового потоку сонячного випромінювання і його відсутність у нічний час акумуляторна батарея, накопичуючи вироблюване сонячною батареєю електрику, дозволяє забезпечити безперервну роботу сонячної енергетичної установки.

Рис. 1.3. Сонячна енергетична установка

Експериментальна установка

Рис. 1.4. Схема експериментальної установки

Експериментальна установка (мал. 1.4) містить у собі: 1 – сонячний модуль, що полягає з 36-ти (9х4) сонячних елементів; 2 – амперметр і 3 – вольтметр для визначення напруги й сили струму, вироблюваних сонячним модулем; 4 – джерело світла, що імітує сонячне випромінювання; 5 – люксметр для визначення освітленості поверхні сонячного модуля; 6 – реостат, що представляє собою регульоване навантаження в електричнім колі.

Порядок виконання роботи

а). Дослідження характеристик холостого ходу сонячного елемента

1. Упевнитися, що навантаження на сонячному модулі немає.

2. Установити джерело світла на пряме випромінювання на поверхню сонячного модуля (нульова відмітка на лімбі джерела).

3. Включити джерело світла.

4. Люксметром виміряти освітленість Е в центрі (Е_ц) і в чотирьох крайніх крапках поверхні (Е₁, Е₂, Е₃, Е₄) сонячного модуля й обчислити її середнє значення (Е_ср).

5. За показниками вольтметра визначити вироблювану сонячним елементом ЭДС.

6. Проробити аналогічні виміри при косім падінні випромінювання на поверхню модуля, повертаючи джерело світла на 10, 20, 30, 40, 50 градусів по лімбу.

7. Обчислити щільність потоку випромінювання W (енергетичну освітленість), використовуючи співвідношення між лк і Вт/м² для білого світла, W = 4,610^-3 Е_ср.

8. Обчислити ЭДС, вироблювану одним сонячним елементом ЭДС-1, розділивши ЭДС на число елементів 36.

9. Усі результати занести в табл. 1.1.

Т а б л и ц я 1.1

Результати вимірів і обчислень

Побудувати графік залежності ЭДС сонячного модуля від щільності потоку випромінювання, що падає на його поверхню W.

б). Визначення вольт-амперної характеристики сонячного модуля

1. Підключити навантаження (реостат) до ланцюга сонячного елемента.

2. Установити джерело світла на пряме випромінювання на поверхню сонячного модуля (нульова відмітка на лімбі джерела).

3. Включити джерело світла. За показниками вольтметра визначити напругу у ланцюзі U. За показниками амперметра визначити струм у ланцюзі I.

4. Переміщаючи рухливий контакт реостата, змінити опір навантаження в ланцюзі й виконати виміру U та I. Провести виміри 6 раз у межах від мінімального до максимального значення опору навантаження.

5. Для кожного виміру обчислити електричну потужність у ланцюзі W_Э=IU.

6. Усі дані занести в табл. 1.2.

Т а б л и ц я 1.2

9. Побудувати вольт-амперну характеристику (графік залежності I від U) сонячного модуля при даній щільності потоку випромінювання, значення якої брати з попередньої серії вимірів.

Відзначити найбільше значення потужності, вироблюваної сонячним модулем.

Л і т е р а т у р а

1. Дж. Твайделл, А. Уэйр. Возобновляемые источники энергии.– М.: Энергоатомиздат, 1990.

2. Solar Electricity /Ed. Tomas Markvart/. UNESCO Energy Engineering Series. New York, 1994.

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Енергозбереження» для студентів спеціальності «Електротехнничні системи електроспоживання» всіх форм навчання.

Укладач: Сінчук Ігор Олегович

Реєстраційний № ________________________

Підписано до друку ______________________________2011 р.

Формат А 5

Обсяг стор.

Тираж примірн.

Видавничий центр КТУ, вул.. ХХІІ партз їзду 11,

м. Кривий Ріг.

69