Министерство образования и науки Российской Федерации

Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования

«Самарский государственный технический университет» в г. Сызрани

Кафедра «Электромеханика и промышленная автоматика»

Дисциплина

«Технологические процессы автоматизированного производства»

Направление

220700 «Автоматизация технологических процессов и производств»

Расчет характеристик центробежного насоса  для двух способов регулирования производительности.

КУРСОВАЯ РАБОТА

Сызрань 2013

Содержание

1. Введение

2. Построение характеристик насоса для скоростей, отличных от номинальной и характеристики магистрали.

3. Расчет и выбор электродвигателя и преобразователя частоты.

4. Расчет и построение механической характеристики насоса

5. Расчет потерь

6. Расчет потребляемой из сети мощности.

7. Заключение.

8. Список использованной литературы.

1. Введение

Современное промышленное и сельскохозяйственное производство, транспорт, коммунальное хозяйство, сферы жизнеобеспечения и быта связанны с использованием разнообразных технологических процессов, большинство из которых основано на применении рабочих машин и механизмов, разнообразие и число которых огромно. Там, где применяются технологические машины – используется электропривод. Практически все процессы, связанные с движением с использованием механической энергии, осуществляются электроприводам. Исключение составляют лишь некоторые транспортные и сельскохозяйственные машины (автомобили, тракторы и др.), но и в этой области перспективы использования электропривода стали вполне реальны.

Электропривод – главный потребитель электрической энергии. В развитых странах на долю электропривода приходится свыше 60% всей вырабатываемой электроэнергии.

Электроприводы различны по своим техническим характеристикам: по мощности, скорости вращения, конструктивному исполнению и другим. Мощность электроприводов прокатных станов, компрессоров газоперекачивающих станций и ряда других уникальных машин доходит до нескольких тысяч киловатт. Мощность электроприводов, используемых в различных приборах и устройствах автоматики, составляет несколько ватт. Диапазон мощности электроприводов очень широк. Также велик диапазон электроприводов по скорости вращения.

Большинство производственных рабочих машин и механизмов приводится в движение электрическими двигателями. Двигатель вместе с механическими устройствами (редукторы, трансмиссии, кривошипно-шатунные механизмы и др.), служащими для передачи движения рабочему органу машины, а также с устройствами управления и контроля образует электромеханическую систему, которая является энергетической, кинематической и кибернетической (в смысле управления) основой функционирования рабочих машин.

В более сложных технологических машинных комплексах (прокатные станы, экскаваторы, обрабатывающие центры и другие), где имеется несколько рабочих органов или технологически сопряженных рабочих машин, используется несколько электромеханических систем (электроприводов), которые в сочетании с электрическими системами распределения электроэнергии и общей системой управления образуют электромеханический комплекс.

Большие скорости обработки, высокая и стабильная точность выполнения технологических операций потребовали создания высокодинамичных электроприводов с автоматическим управлением. Стремление снизить материальные и энергетические затраты на выполнение технологических процессов обусловило необходимость технологической и энергетической оптимизации процессов; эта задача также легла на электропривод. На этапе технического развития машинного производства, достигнутого к концу XX века, электромеханические комплексы и системы стали определять технологические возможности и технический уровень рабочих машин, механизмов и технологических установок.

Создание современных электроприводов базируется на использовании новейших достижений силовой электротехники, механики, автоматики, микроэлектроники и компьютерной техники. Это быстро развивающиеся области науки, что определяет высокую динамичность развития электромеханических систем.

В последние годы с появлением доступных технических средств для регулирования скорости асинхронных двигателей для привода насосов в системах тепло- и водоснабжения стали применятся регулируемые электроприводы.

Электропривод насоса выполняет две функции: преобразует электрическую энергию в механическую, необходимую для подачи воды потребителю, и управляет работой установки таким образом, чтобы поддерживать требуемую величину напора и расхода воды.

Автоматизированный электропривод получил в последние десятилетия интенсивное ускоренное развитие. Это определяется, в первую очередь, общим прогрессом машиностроения, направленным на интенсификацию производственных процессов, их автоматизацию, повышение точностных характеристик и других технических требований, связанных с обеспечением стабильности качества производимой продукции.

Вторым обстоятельством, обусловившим развитие электропривода, явилось распространение его применения не только на промышленное производство, но и на другие сферы, определяющие жизнедеятельность человека: сельское хозяйство, транспорт, медицину, электробытовые установки и др.

Третья причина связана с наметившимся переходом от экстенсивного развития производства электрической энергии к более эффективному ее использованию. Повышение эффективности электромеханического использования электроэнергии всецело зависит от совершенствования электропривода.

2. Построение характеристик насоса для скоростей, отличных от номинальной и характеристики магистрали.

Исходные данные:

1.     Графики зависимостей  

2.     Номинальная скорость насоса.

3.     Плотность перекачиваемой жидкости;

4.     Температура рабочей среды;

5.     Статический напор.

Расчет характеристик насоса для скоростей, отличных от номинальной, проводят по формулам:

, ,                          (2.1)

где  - кратность скорости вращения насоса.                         

Выберите на номинальной характеристике, представленной в задании, несколько точек (не менее шести). Для каждой из этих точек определите H и Q. Подставляя эти значения в формулы 2.1, рассчитайте соответствующие значения производительности и напора для скоростей 0,9; 0,8; 0,7 от номинальной.

Результаты занесем в таблицу 2.1.

Таблица 2.1.

Характеристика магистрали описывается выражением:

                                (2.2)

Для её построения необходимо определить s – коэффициент магистрали. Из формулы (2.2) имеем:

,                                                 (2.3)

По заданию известен статический напор , а значения  и берутся для четвертой точки номинальной напорной характеристики ()

Рассчитав коэффициент магистрали s, и подставив его вместе с в выражение 2.2 получим аналитическое выражение для характеристики магистрали.

Используя это выражение рассчитаем несколько точек магистрали. Результаты занесем в таблицу 2.2.

Таблица 2.2.

Q,м3/ч
Н, м

По точкам из таблиц 2.1 и 2.2 построим семейство характеристик насоса для скоростей от ω_Н до 0,7ω_Н  (шаг 0,1) и характеристику магистрали.

3. Расчет и выбор электродвигателя и преобразователя частоты

Мощность насоса в кВт в рабочей точке определяется по формуле:

, (3.1)

где Н_Н [м], Q_H [м³/ч] и η_Н - значения напора, производительности и КПД, соответствующие точке пересечения характеристики насоса и магистрали;

 - плотность перекачиваемой среды в кг/м³;

Подставляя соответствующие значения в формулу 3.1, получим мощность насоса в рабочей точке .

Двигатель выбираем исходя из условия:

Далее необходимо привести технические характеристики выбранного асинхронного электродвигателя.

1.     Тип двигателя.

2.     Номинальная мощность , Вт.

3.     Номинальное линейное напряжение статора ,В.

4.     Частота сети ,Гц.

5.     Синхронная частота вращения ,об/мин.

6.     Число пар полюсов .

7.     Коэффициент полезного действия ,о.е.

8.     Коэффициент мощности ,о.е.

9.     Номинальный ток статора ,А.

10.                       Кратность пускового тока,о.е.

11.                       Кратность пускового момента,о.е.

12.                       Кратность максимального момента,о.е.

13.                       Момент инерции, кг×м².

Регулирование скорости двигателя осуществляется с помощью асинхронно-вентильного каскада (АВК).

Исходя из мощности двигателя выбираем АВК. Здесь необходимо указать:

1.     Тип АВК.

2.     Напряжение питания инвертора.

3.     Номинальная мощность преобразователя.

4.     Выходной ток.

5.     Выходная частота.

6.     Наличие дополнительных функций (опций).

4. Расчет и построение механической характеристики насоса.

Как известно, мощность насоса определяется по формуле:

; (4.1)

Разделив обе части этого равенства на скорость, получим выражения для момента в зависимости от скорости

; (4.2)

Используя полученную формулу, построим механическую характеристику насоса. Для этого находим по графику Q, H, η, соответствующие точке пересечения характеристики магистрали и характеристики насоса для одной из скоростей.

,

с^-1, а

.

,

с^-1.

,

с^-1.

,

с^-1.

По рассчитанным значениям момента строим график статической механической характеристики насоса.

В общем виде механическая характеристика насоса выглядит так:

(4.3), где

k - показатель степени магистрали.

Определим показатель степени магистрали k (показатель степени параболы момента сопротивления). Показатель степени k определим по формуле:

 (4.4)

Для определения показателя степени магистрали необходимо иметь две точки пересечения магистрали с семейством Q-H характеристик насоса.

Найдем производительности и напоры, соответствующие двум разным скоростям, например и .

;;;;;.

Подставляя полученные значения в формулу (4.4) получим значение показателя степени магистрали k.

Подставляя значение k, получим формулу (4.3) механической характеристики насоса.

5. Расчет потерь

Потери скольжения при w₁=const равны потерям в роторе и определяются по формуле:

 (5.1)

где    w_н – номинальная скорость двигателя: (5.2)

Для определения максимальных потерь при регулировании дифференцируем уравнения потерь по скорости:

 (5.3)

         Определим максимальную скорость и скольжение при максимальных потерях. Для этого приравняем полученное выражение производной функции потерь к нулю:

Получаем, что (5.4)

(5.5)

Максимальные потери скольжении в асинхронном двигателе при w_с=const:

, Вт (5.6)

При частотном регулировании скорости, w_с = var, зависимость потерь скольжения от скорости имеет вид:

, (5.7)

где a = - относительная скорость двигателя .

Исходя из формулы 5.7 построить график зависимости потерь скольжения DP_s(a×w_н) от скорости.

6. Расчет потребляемой из сети мощности

В случае регулирования производительности насоса задвижкой осуществляется механический способ регулирования, основанный на изменении результирующего сопротивления магистрали.

Мощность, потребляемая из сети:

,где

H₁ – напор, создаваемый насосом перед задвижкой.

,кВт

,кВт

,кВт

При регулировании производительности насоса частотным способом изменяется характеристика насоса.

Мощность, потребляемая из сети:

,где

h = 0,95 – КПД преобразователя частоты.

,кВт

,кВт

,кВт

По полученным значениям построим графики зависимостей потребляемой мощности от расхода  при:

а) регулировании производительности насоса задвижкой;

б) регулировании производительности насоса частотным способом.

Сделать вывод, какой способ регулирования расхода более экономичен.

 

7. Заключение

В этом разделе необходимо сделать выводы по каждому пункту проекта.

8. Список использованной литературы

1.       Соколов М.М. «Автоматизированный электропривод общепромышленных механизмов» М.:Энергия, 1976 г.

2.       Ключев В.И. «Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов» М.:Энегрия, 1980 г.

3.       Конспект лекций.