Глава 5
РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ
14. Регулируемый электропривод как основа систем управления режимом работы насосных установок
В § 12 показано, что центробежные насосы энергетически наиболее эффективно регулируются изменением их частоты вращения. Частота вращения насосов может быть изменена, если в качестве приводного двигателя используются тепловые двигатели: газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания (ДВС) или регулируемый электропривод.
Устройство и характеристики газовых турбин и ДВС таковы, что они могут обеспечить изменение частоты вращения насосов в необходимом диапазоне. Однако для систем автоматического управления (САУ) режимом работы насосных установок обычно используются различные виды регулируемого электропривода. Регулируемый электропривод подразделяется на две основные группы: постоянного и переменного тока. Электроприводом называют устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую и состоящее из электродвигателя, передаточного механизма (трансмиссии, муфты, редуктора) и системы управления. В регулируемый электропривод входят также устройства, обеспечивающие изменение частоты вращения насосного агрегата в целом или только одного насоса. Эти устройства выполняют обычно две функции: являются силовыми преобразователями электроэнергии и в то же время элементами системы управления.
Процесс регулирования частоты вращения любого механизма, в том числе и насоса, удобно анализировать с помощью механических характеристик насосного агрегата (см. § 12). Ниже рассматриваются механические характеристики электродвигателей, которые сопоставляются с механическими характеристиками насосов.
Механической характеристикой электродвигателя называется зависимость его вращающего момента от частоты вращения и подразделяется на три основных вида:
абсолютно жесткие (кривая 1 на рис. 44) — свойственны синхронным электродвигателям, частота которых остается постоянной при изменении вращающего момента;
жесткие (кривая 2 на рис. 44) — свойственны асинхронным электродвигателям (в рабочей части характеристики) и электродвигателям постоянного тока с параллельным возбуждением, частота вращения которых незначительно меняется при изменении вращающего момента;
мягкие (кривая 3 на рис. 44) — свойственны электродвигателям постоянного тока с последовательным возбуждением, частота вращения которых существенно изменяется при изменении вращающего момента.
Существуют и другие разновидности механических характеристик. Например, механическая характеристика электродвигателя постоянного тока со смешанным возбуждением занимает промежуточное положение между характеристиками электродвигателей с параллельным и последовательным возбуждением. Механическая характеристика асинхронного электродвигателя с сопротивлением, введенным в роторную цепь, мягче аналогичной характеристики короткозамкнутого электродвигателя и т.д. Механические характеристики регулируемых электроприводов принципиально отличаются от характеристик нерегулируемых тем, что в процессе регулирования они изменяют свое положение, или свою форму, или то и другое одновременно.
Рассмотрим механические характеристики насосного агрегата. На рис. 45 представлены механические характеристики центробежного насоса, оборудованного обратным затвором (кривая 1) и электродвигателя с короткозамкнутым ротором (кривая 2). Разница значений вращающего момента электродвигателя и момента сопротивления называется динамическим моментом. Если вращающий момент больше момента сопротивления, динамический момент считается положительным, если меньше — отрицательным. Под воздействием положительного динамического момента насосный агрегат начинает работать с ускорением, т.е. разгоняется. Если динамический момент отрицательный, насосный агрегат работает с замедлением, т.е. тормозится. При равенстве этих моментов имеет место установившийся режим работы, т.е. насосный агрегат работает с постоянной частотой вращения. Эта частота вращения и соответствующий ей момент определяются пересечением механических характеристик электродвигателя и насоса (точка а на рис. 45). Если в процессе регулирования тем или иным способом изменить механическую характеристику, например сделать ее более мягкой за счет введения дополнительного сопротивления в роторную цепь электродвигателя (кривая 3 на рис. 45), момент вращения электродвигателя станет меньше момента сопротивления. Под воздействием отрицательного динамического момента насосный агрегат начинает работать с замедлением, т.е. тормозится до тех пор, пока вращающий момент и момент сопротивления опять не уравновесятся (точка б на рис. 45). Этой точке соответствует своя частота вращения и свое значение момента. Таким образом, процесс регулирования частоты вращения насосного агрегата непрерывно сопровождается изменениями вращающего момента электродвигателя и момента сопротивления насоса.
Рассмотрим основные виды регулируемого электропривода, применяемого в насосных установках. Регулирование частоты вращения насоса может осуществляться или изменением частоты вращения электродвигателя, жестко соединенного с насосом, или изменением передаточного отношения трансмиссии, соединяющей насос с электродвигателем, который работает с постоянной скоростью.