Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Автоматизированный электропривод тепловых сетей. Учебное пособие
.pdf
1
СЕВЕРО-КАВКАЗСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
И.И. Алиев
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ
ЭЛЕКТРОПРИВОД
ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ
Учебное пособие
Москва
Ай Пи Ар Медиа
2026
2
УДК 681.521.6
ББК 31.291
А50
Рецензент:
Шелест В.А. — канд. техн. наук, доц., зав. кафедры ЭиИТ
Алиев, Исмаил Ибрагимович.
А50 Автоматизированный электропривод тепловых сетей : учеб-
ное пособие / И.И. Алиев ; Северо-Кавказская государственная академия. — Москва : Ай Пи Ар Медиа, 2026. — 68 с. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-4497-5168-3
Учебное пособие посвящено комплексному изучению турбомеханизмов
тепловых сетей и систем водоснабжения, их автоматизации и энергоэффективного управления. Рассмотрены насосные установки, их конструктивные особенности и технологические схемы, включая вопросы расчета мощности электродвигателей для различных режимов работы. Описаны автоматизированные
системы управления, включая релейно-контакторные схемы, замкнутые системы автоматического управления асинхронными двигателями и специализированные электроприводы центробежных насосов. Подробно анализируются преимущества частотного регулирования перед традиционными методами.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по укрупненной группе направлений подготовки высшего образования «Электро- и теплоэнергетика», изучающих дисциплины «Автоматизированный электропривод», «Автоматизация тепловых процессов».
Учебное электронное издание
Обложка Я.А. Кирсанов, С.С. Сизиумова, фотобанк Freepik
ISBN 978-5-4497-5168-3 © Алиев И.И., 2013
© ФГБОУ ВО «Северо-Кавказская
государственная академия», 2013
© Оформление.
ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа», 2026
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
РАЗДЕЛ 1. ТУРБОМЕХАНИЗМЫ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ И СЕТЕЙ
ВОДОСНАБЖЕНИЯ, ИХ УСТРОЙСТВО, НАЗНАЧЕНИЕ,
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ................................................................................... 4
Тема 1.1. Насосные установки, их устройство и назначение .......................................... 4
Тема 1.2. Технологические схемы насосных установок .................................................. 5
РАЗДЕЛ 2. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ И ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
ДЛЯ МЕХАНИЗМОВ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ ................................................................ 6
Тема 2.1. Расчет мощности двигателей для длительного режима .................................. 6
Тема 2.2. Расчет мощности двигателей для повторно-кратковременного
и кратковременного режимов работы ................................................................................ 9
РАЗДЕЛ 3. РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
ТУРБОМЕХАНИЗМОВ .................................................................................................. 11
Тема 3.1. Регулирование производительности насосных станций (Л.3) ...................... 11
Тема 3.2. Специальные аппараты для автоматизации насосных установок
и датчики автоматизированных систем ........................................................................... 11
3.2.1. Основные определения и классификация .............................................................. 11
3.2.2. Параметрические датчики ....................................................................................... 13
3.2.3. Генераторные датчики ............................................................................................. 17
3.2.4. Требования, предъявляемые к датчикам ............................................................... 24
РАЗДЕЛ 4. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ РЕЛЕЙНО-КОНТАКТОРНОГО
УПРАВЛЕНИЯ МЕХАНИЗМАМИ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ
И СЕТЕЙ ВОДОСНАБЖЕНИЯ .................................................................................... 25
Тема 4.1. Типовые схемы автоматизации насосных установок (Л.2) ........................... 25
Тема 4.2. Типовые схемы релейно-контакторного управления насосами
и задвижками ...................................................................................................................... 25
РАЗДЕЛ 5. ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО
УПРАВЛЕНИЯАСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ .......................................... 29
РАЗДЕЛ 6. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ
ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ .................................................................................... 31
Тема 6.1. Характеристики производительности центробежного
насоса при дроссельном и частотном регулировании .................................................... 31
Тема 6.2. Потребляемая мощность электропривода при частотном
и дроссельном регулировании .......................................................................................... 38
РАЗДЕЛ 7. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ И ЧАСТОТНОЕ
РЕГУЛИРОВАНИЕ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ........................... 40
РАЗДЕЛ 8. АВТОМАТИЗАЦИЯ РАБОТЫ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ
НА ТЕПЛОВЫХ СЕТЯХ И ПРЕДПРИЯТИЯХ ВОДОСНАБЖЕНИЯ................. 45
РАЗДЕЛ 9. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В РЕГУЛИРУЕМЫХ
ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ ТУРБОМЕХАНИЗМОВ
С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЧАСТОТЫ ................................................................... 62
ЛИТЕРАТУРА .................................................................................................................. 67
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ....................................................................................... 68
4
РАЗДЕЛ 1. ТУРБОМЕХАНИЗМЫ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ И СЕТЕЙ
ВОДОСНАБЖЕНИЯ, ИХ УСТРОЙСТВО, НАЗНАЧЕНИЕ,
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
Тема 1.1. Насосные установки, их устройство и назначение
Турбомеханизмы, к которым относятся и центробежные насосы для
перекачки воды и других жидкостей, потребляют до 25 % всей вырабатываемой электроэнергии. Работа этих систем отличается неравномерным
потреблением воды, тепловой энергии, воздуха в течение суток в зависимости от погодных условий, времени года.
Использование регулируемого электропривода насосных агрегатов
в системах коммунального и промышленного горячего и холодного водоснабжения в течение последние годы явилось предметом пристального
внимания со стороны эксплуатирующих организаций. Стало очевидно,
что регулирование скорости рабочего колеса насосов позволяет существенно повысить энергетические показатели установок, получить значительную экономию электроэнергии, и сократить потери воды за счет исключения избытка давления в гидравлической сети.
К настоящему времени в различных городах и регионах России
накоплен значительный опыт применения регулируемого электропривода
насосных агрегатов для систем холодного и горячего водоснабжения.
В большинстве случаев реализация этого технического мероприятия выполняется в порядке модернизации действующих насосных станций:
в цепи питания асинхронного двигателя насоса устанавливаются преобразователи частоты, позволяющие регулировать скорость двигателя. При
этом используются преобразователи иностранных компаний: Hitachi
(Япония), Mitsubishi (Япония), Dan Foss (Дания) и др., а также разработки
отечественных фирм: «Триол», «Приводная техника», ЧЭАЗ, МПП
«Цикл» и прочих.
Существующая практика внедрения регулируемого электропривода
для насосных агрегатов выявила определенные недостатки в организации
и техническом содержании этих работ. Отсутствует единая техническая
политика в данной области. Разрозненная поставка насосных агрегатов,
коммутирующего электрооборудования, преобразователей частоты
и устройств автоматики затрудняет проектирование и внедрение автоматизированных насосных станций. А несогласованность отдельных элементов может снизить эффективность использования регулируемого
электропривода насосных агрегатов.
Эффективное использование возможностей регулируемого электро-
привода и систем автоматики может быть в полной мере реализовано, если это станет делом насосостроительных предприятий. Такая тенденция
ярко проявляется в деятельности передовых зарубежных фирм. Указанный тезис может быть обоснован научно-техническими, конструкторски-
5
ми, проектными, организационными, маркетинговыми и эсплуатационными соображениями.
Тема 1.2. Технологические схемы насосных установок
Насосный агрегат для экономичной эксплуатации должен иметь воз-
можность адаптироваться к условиям и режимам работы конкретного потребителя. Для этого необходимы:
• согласование характеристик насоса с характеристиками гидравли-
ческой сети, на которую он работает;
• cогласование характеристик параллельно работающих насосов;
• обеспечение переменного режима работы, связанного
с регулированием подачи воды в соответствии с нуждами потребителя.
Сегодня избыток давления (напора) большинства насосных станций
и гидравлических сетей до 40% превосходит объективно требуемый уровень, что вынуждает гасить избыток напора гидравлическими средствами.
Это связано с тем, что при проектировании насосных станций насосы выбираются из стандартного ряда с большим запасом по напору
и рассчитываются на максимальный режим расхода. Рабочая зона реального режима работы не всегда совпадает с зоной оптимального КПД
насосов.
Если насос работает с постоянной стандартной скоростью вращения,
то необходимая адаптация осуществляется внешними гидравлическими
средствами, что связано со значительными потерями энергии. Также следует отметить, что при конструировании насоса его характеристики оптимизируются для узкой рабочей области одного номинального режима,
которая практически не используется. На практике высокий уровень КПД
наших насосов остается невостребованным.
Одним из главных преимуществ использования регулируемого электропривода насосных агрегатов является возможность адаптации его характеристик к характеристикам гидравлической сети посредством выбора
рациональной номинальной скорости вращения рабочего колеса, отвечающей основному режиму работы установки. При этом номинальная скорость может быть как выше, так и ниже стандартного значения.
Большинство насосов и насосных станций работает или объективно
должны работать с переменной производительностью. Гидравлические
способы не экономичны и не дают возможности автоматизированного регулирования.
Второе принципиальное преимущество регулируемого электропривода состоит в том, что если насосный агрегат должен работать
с переменной производительностью, то с энергетической точки зрения это
наиболее рационально осуществлять путем регулирования скорости рабочего колеса насоса.
6
РАЗДЕЛ 2. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ И ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ
МЕХАНИЗМОВ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ
Тема 2.1. Расчет мощности двигателей для длительного режима
Режимы работы электроприводов стандартизованы по признаку
нагрева двигателя. Различают три основных режима: длительный (обозначается символом S1), кратковременный (S2) и повторно-кратко-
временный (S3).
Длительный - это режим, в котором превышение температуры
двигателя в течение времени его работы достигает установившегося
значения. Длительный режим подразделяют на два вида: а) режим с постоянной нагрузкой и б) режим с переменной нагрузкой.
Рисунок 2.1 – Нагрузочные диаграммы для длительного режима:
а) с постоянной нагрузкой, б) с переменной нагрузкой
К типу а) относятся электроприводы вентиляторов, насосов, компрессоров, транспортеров, текстильных станков и др. К типу б) электроприводы поршневых компрессоров, прокатных станов, токарных, фрезерных, сверлильных станков и др.
Режим работы электропривода отражают при помощи нагрузочных
диаграмм, которые представляют собой зависимость мощности Р, момента М или тока двигателя I от времени t .
Примеры нагрузочных диаграмм для длительного режима и кривая
нагрева приведены на рисунке 2.1.
В кратковременном режиме двигатель работает непродолжи-
тельное время, в течение которого превышение его температуры не
достигает установившегося значения, а после отключения он успевает
охладиться до температуры охлаждающей среды (рисунок 2.2. а). В
этом режиме работают, например, электроприводы шлюзов, задвижек
нефти и газопроводов, и др.
7
Рисунок 2.2 – Нагрузочные диаграммы и диаграммы нагрева:
а) для кратковременного режима работы,
б) для повторно-кратковременного режима работы.
Повторно-кратковременным называют режим, в котором крат-
ковременные периоды включения двигателя чередуются с периодами пауз, причем в период нагрузки превышение температуры двигателя не достигает установившегося значения, а при отключении не успевает достичь температуры охлаждающей среды.
Примеры нагрузочных диаграмм и кривых нагрева для этих режи-
мов приведены на рисунке 2.2.
Свойства двигателей в повторно-кратковременном режиме зависят
от продолжительности включения (ПВ). Как видно из диаграммы на рисунке 2.2, б, двигатель нагружен в течение времени tР, а в течение време-
ни t0 следует пауза. Их сумма составляет время цикла tЦ .
ПВ - это величина равная отношению времени работы двигателя
под нагрузкой ко времени цикла, измеряемая в процентах:
ПВ = 100 tР/ ( tР+ t0) = ( tР/ tЦ) 100, % .
ПВ стандартизованы и составляют 15, 25, 40 и 60 % . Значение ПВ
указывается на паспорте двигателя.
ПВ=100% соответствует длительному режиму работы.
Двигатель мощностью Р
Н 1
с ПВ1 может быть использован при дру-
гой ПВ2. Мощность Р2, на которую можно при этом нагружать двигатель,
определяется приближенным соотношением:
Р2 = Р
Н 1
ПВ ПВ2 1/
, Вт.
Из этого выражения следует, что двигатель с большим ПВ при его
использовании в механизме с меньшим ПВ можно нагружать на большую
мощность и наоборот.
Одним из решающих факторов работы двигателя является его
нагрев, вызываемый токами статора или якоря при нагрузке на валу двигателя.
8
Нагрев двигателей под нагрузкой и охлаждение при отключении
или сбросе нагрузки происходит по экспоненциальным зависимостям.
Режимы работы электроприводов определяются условиями нагрева
и делятся на длительный, повторно-кратковременный и кратковременный.
Эти режимы стандартизованы и зависят от продолжительности
включения ПВ, который определяется как отношение длительности времени работы под нагрузкой ко времени цикла, выраженное в процентах.
Двигатель с большим ПВ при его использовании в механизме с меньшим
ПВ можно нагружать на большую мощность и наоборот.
Расчет мощности двигателей для длительного режима
работы.
При постоянной нагрузке (рис.2.1, а) определяется мощность РС
или момент МС механизма, приведенные к валу двигателя, и по каталогу
выбирается двигатель, имеющий ближайшую не меньшую номинальную
мощность РН: РН РС .
Для тяжелых условий пуска осуществляется проверка величины
пускового момента двигателя так, чтобы он превышал момент сопротивления механизма. Пусковой момент :
МП = М
Н
, а МН= Р
НН
,
где - кратность пускового момента двигателя, выбираемый по каталогу.
При длительной переменной нагрузке (рис. 2.1, б) определение
номинальной мощности двигателя производят по методу средних по-
терь, либо методу эквивалентных величин (мощности, момента или
тока).
Расчет мощности двигателя по методу средних потерь.
Метод основан на предположении, что при равенстве номинальных
потерь двигателя РН и средних потерь, определяемых по диаграмме
нагрузки, температура двигателя не будет превышать допустимую:
Н
=РН/ А = РСР /А., С.
1. Определяется средняя мощность нагрузки:
РСР = (Р1 t1 + Р2 t2 + ...+ Рп tп ) / ( t1 + t2 + ...+ tп ), кВт.
2. Предварительно подбирается двигатель с номинальной мощно-
стью РН. При этом:
РН = ( 1,2 - 1,3) РСР, КВт.
3. Определяются номинальные потери подобранного двигателя:
РН = РН (1 -
Н
) /
Н
, кВт.
4. Определяются по диаграмме потери Р1, Р2, ... Рп :
9
Рп = Рп (1 -
п
) /
п
, кВт,
где:
п
- КПД, соответствующий мощности Рп и зависящий от загрузки
двигателя, т.е. к= Рп / РН.
п
=1 / 1+ ( 1/
Н
-1)(а / к+к) / (а +1),
где: а - отношение постоянных потерь в двигателе к номинальным
5. Определяются по диаграмме средние потери
РСР = (Р1 t1 + Р2 t2 + ...+ Рп tп ) / ( t1 + t2 + ...+ tп ) , кВт.
6. Проверяется условие равенства средних и номинальных потерь.
При их расхождении более чем на 10% подбирают другой двигатель и
повторяют расчет.
Расчет мощности двигателя по методу эквивалентных
величин.
Метод основан на понятии среднеквадратичного или эквивалентно-
го тока (мощности, момента). Переменные потери в двигателе пропорциональны квадрату тока нагрузки.
Эквивалентным, неизменным по величине током называют ток, со-
здающий в двигателе такие же потери, как и изменяющийся во времени
фактический ток нагрузки.
Метод реализуется по следующему алгоритму:
1. Определяют величину эквивалентного тока:
IЭ =
( ) ( )
I t I t I t t t t
n n n1
2
1 2
2
2
2
1 2
+ + + + + +... / ...
, А.
2. По каталогу выбирают двигатель, номинальный ток которого ра-
вен или несколько больше IЭ.
3. Двигатель проверяют по перегрузочной способности: отношение
наибольшего момента сопротивления к номинальному не должно превышать допустимого значения, приводимого в каталогах.
Если мощность и вращающий момент двигателя пропорциональны
величине тока, то для расчета можно воспользоваться выражениями для
эквивалентной мощности:
РЭ=
( ... ) / ( ... )Р t P t P t t t t
n n n121 222
2
1 2
+ + + + + +
, кВт,
или эквивалентного момента:
MЭ=
( ... ) / ( ... )M t M t M t t t t
n n n121 222
2
1 2
+ + + + + +
, Нм..
Тема 2.2. Расчет мощности двигателей для повторно-
кратковременного и кратковременного режимов работы
Повторно-кратковременный режим работы (рисунок 2.1, б).
1. По нагрузочной диаграмме определяют среднюю мощность РСР.
2. Выбирают двигатель, номинальная мощность которого не меньше
средней мощности.
10
3. Определяют эквивалентную мощность РЭ ( или MЭ).
4. Эквивалентную мощность (момент, ток) пересчитывают для бли-
жайшего стандартного значения ПВ
НОМ
:
Р = Р
Э
ПВ ПВ
НОМ
/
, кВт; М = M
Э
ПВ ПВ
НОМ
/
, Нм; I = IЭ
ПВ ПВ
НОМ
/
, А.
5. По каталогу выбирают двигатель с номинальной мощностью РН
при ПВ
НОМ
так, чтобы РН Р.
6. Выбранный двигатель проверяют по перегрузочной способности.
Кратковременный режим работы (рисунок 2.2. а).
Для этого режима используются двигатели кранового типа с продолжительностью циклов 15, 30, 60 и 90 мин, для которых указываются
соответствующие номинальные мощности. Мощность двигателя определяется по методу эквивалентных величин.
В этом режиме могут использоваться и двигатели, рассчитанные на
длительный режим работы. Двигатель выбирают заниженной мощности.
Следовательно, ток двигателя в период работы в этом режиме может существенно превышать номинальный, однако превышение температуры
при этом не должно быть больше допустимого:
УСТ
= РКР/А = (К + I
КР
2
R ), С.
Ток двигателя в кратковременном режиме работы, допустимый в
течение времени tКР:
IКР = I
Н
( ) / ( )1 1+ −в в
,A,
где: в = е
− t T
R Н
/
, ТН - постоянная времени нагрева двигателя, с.
Коэффициент тепловой перегрузки двигателя:
рТ= РКР/ РН = (К + I
КР
2
R ) / (К + I
Н
2
R ),
или: рТ=1 / ( 1 - е
− t T
R Н
/
).
Если постоянные потери неизвестны, то для номинального режима
их ориентировочно принимают равными переменным потерям в двигателе:
К = I
Н
2
R , Вт.
Если известны потери РКР и РН, то постоянная времени определяется из соотношения
Т Н= t КР/ ln [рТ/ (рТ- 1)], c.
Расчет и выбор мощности электродвигателей основывается на теории нагрева и осуществляется одним из методов: средних потерь, эквивалентных величин с последующей проверкой выбранных двигателей по
перегрузочной способности.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]