Применение самозапуска для электродвигателей насосных станций оросительных систем



Приведены данные исследований при автоматическом самозапуске электродвигателей на насосных станциях. Рассмотрено моделирование переходных процессов в режимах автоматического самозапуска асинхронного электропривода насосной установки с целью выявление характера изменения подачи, напора и момента сопротивления на валу насоса в отмеченных режимах.

На насосных станциях автоматизируются: пуск и остановка насосных агрегатов и вспомогательных насосных установок; контроль и поддержание заданных параметров (например, уровня воды, подачи, напора и т. д.); прием импульсов параметров и передача сигналов на диспетчерский пункт. Автоматизация управлениями насосными станциями является одним из важнейших направлений технического прогресса в области подачи и отведения воды.

Решение вопроса автоматизации самозапуска электродвигателей насосных установок имеет весьма важное значение для недопущения массового отключения потребителей и обеспечения бесперебойной работы современных крупных насосных станций при кратковременных нарушениях электроснабжения. Успешное осуществление автоматического самозапуска электродвигателей ответственных механизмов после кратковременного перерыва электрического питания и глубокого понижения напряжения позволит снизить до минимума ущерб и обеспечить надежную работу станции [4].

Исследование основных характеристик процессов автоматического самозапуска электродвигателей насосных установок удобно и экономично проводить путем математических моделей на ЭВМ с учетом изменения исходных параметров [1]. Натурные исследования процесса самозапуска электродвигателей более трудоемки и дорогостоящи, тем не менее они необходимы для оценки достоверности принятой математической модели. В работе приводятся результаты выполненных натурных исследований неустановившихся процессов при автоматическом самозапуске электродвигателей на насосных станциях [4–5].

Для решения вопроса самозапуска были проведены опыты на типовых насосных станциях Аму-Занг 1-й очереди 2-го подъёма Сурхандарьинской области Республики Узбекистан, где установлены асинхронные электродвигатели типа ДАЗО-15–59–10У1, U_H=6 кВ, Р_H=630 кВт, n_H=595 об/мин, I_H=80 А.

На этих станциях при кратковременных погашениях напряжения все двигатели отключаются релейной защитой. Задвижки не закрываются и насосные установки работают в угонном режиме. Это отрицательно влияет на многие узлы агрегатов (выходят из строя сальниковые набивки, расслабляются крепежные узлы и т. п.), что приводит к большим затратам времени и материальных средств на восстановление рабочего состояния агрегатов [5].

Рассматриваемая насосная станция состоит из 16 насосов типа 24НДС и асинхронных двигателей типа ДАЗО. Эксперименты проводились на одной насосной установке № 11 при различных значениях выдержки времени, которая менялась в пределах 1,5–14,5 с. Осциллографировались частота вращения на валу насоса, ток статора, время выбега и время самозапуска. Все двигатели насосной станции получают питание от одной подстанции. Осциллограммы процесса самозапуска для времени перерыва 1,5 и 2,2 с приведены на рис.1.Из осциллограммы видно, что кратность пускового тока и продолжительность самозапуска растет с увеличением времени погашения напряжения [5].

Рис. 1. Самозапуск асинхронного двигателя ДАЗО-15–59–10У1

Хотя на этих установках стоят обратные клапаны, увеличение времени выдержки приводит к повышению кратности пускового тока и длительности пуска. Было согласовано повторное включение масляного выключателя на вводе подстанции трансформатора T₁, которое составляет 1,5 с, с учетом этого установлено время задержки устройства самозапуска 2 с.

Значение напора гидравлического удара получается меньше манометрического напора насоса, развиваемого при работе его на закрытую задвижку. Это объясняется тем, что гидравлическое сопротивление в насосной установке при самозапуске изменяется не мгновенно. Оно зависит от значения запускаемой частоты вращения агрегата. Поэтому гидравлический удар получается неполный. В экспериментальной установке длина напорного трубопровода относительно короткая, при самозапуске скорость течения жидкости изменяется медленно.

В данной работе также рассматривается моделирование переходных процессов в режимах автоматического самозапуска асинхронного электропривода насосной установки с целью выявления характера изменения подачи, напора и момента сопротивления на валу насоса в отмеченных режимах. В этих режимах протекают гидравлические, механические, электромагнитные переходные процессы. Результаты исследования показывают, что гидромеханическая постоянная времени значительно больше электромагнитной. Поэтому электромагнитная постоянная времени обмоток асинхронного двигателя в режиме самозапуска не учитывается.

Гидравлический переходный процесс, учитывающий упругость воды и стенок напорных водоводов, можно описать в форме, где зависимость между изменением давления и скорости движения воды в трубопроводе определяется формулой:

(1)

Процесс гидравлического удара имеет волновой характер и описывается дифференциальными уравнениями в частных производных:

(2)

Общее решение системы имеет вид:

;

(3)

где H — напор; v — скорость движения воды в трубопроводе; t — время, с момента возникновения гидравлического удара; а — скорость распространения ударных волн; g — ускорение силы тяжести; x — расстояние от начала координат;  — эквивалентные волны повышения давления;  — эквивалентные волны понижения давления.

Кроме того, гидравлический переходный процесс описывается уравнением неустановившегося движения несжимаемой жидкости:

(4)

где H — напор насоса; — геометрический напор; — инерционный напор; — потери напора.

Уравнение механического переходного процесса описывается уравнением движения агрегата при неустановившемся режиме:

(5)

где — вращающий момент двигателя, определяется по пусковой характеристике двигателя; — гидравлический момент насоса; — момент, затрачиваемый на трение в сальниках и подшипниках агрегата.

Вращающий момент асинхронного двигателя определяется известным выражением:

где — приведенный ток ротора; — приведенное активное сопротивление ротора; — синхронная угловая скорость двигателя; S — скольжение двигателя.

Для определения гидравлического момента используется четырехквадратная характеристика насоса в виде зависимостей между приведёнными расходом , частотой вращения , гидравлического момента :

(6)

Математически моделируя процесс самозапуска и задавая с различным интервалом времени продолжительность перерыва питания, определяем предельную продолжительность, при которой невозможен самозапуск. В этом случае перестает выполняться одно из условий успешного самозапуска. Зная это время можно правильно настроить режим работы автоматики при восстановлении напряжения. Для точного определения предельного времени перерыва необходимо имитировать моделирование самозапуска, учитывая все принятые условия.

На основании приведенных уравнений и указаний разработан алгоритм и программа расчета на ЭВМ рассматриваемой задачи. По этой программе рассчитываются критерии для оценки успешности самозапуска насосного агрегата при повторном включении после кратковременного перерыва питания.

На рис.2 приведена характеристика процесса при интервале перерыва с, построенная по расчетным данным H=f(t), Q= f(t), n= f(t), M=f(t) для асинхронного электродвигателя типа ДАЗО-15–59–10У1, кВ, кВт, об/мин, А и центробежного насоса типа 24НДС. В момент отключения двигателя мгновенно падает до нуля. Гидравлический момент сопротивления насосной установки и момент трения показанные как М во временной диаграмме, сохраняются. Это приводит к снижению частоты вращения n насоса и развиваемого напора Н, из-за него уменьшается подача Q. Хотя параметры n, Н, Q уменьшаются, но режим агрегата сохраняется «насосным». В этом интервале времени при включении электродвигателя начинается второй этап, самозапуск. Под действием вращающего момента двигателя происходит разгон насосной установки до установившегося режима.

Рис. 2. Результаты расчета самозапуска

Результаты натурных исследований и моделирования на ЭВМ по скоростным параметрам n (рис.1 и рис.2) совпадают.

Выводы.

Время срабатывания АПВ электрической сети для автоматического самозапуска определяется из режима выбега конкретно заданной насосной установки, при этом необходим контроль восстанавливающегося напряжения до значения, обеспечивающего успешный самозапуск.

Система автоматического самозапуска электродвигателей должна учитывать технологические ограничения, действия технологических защит и автоматики восстановления работы вспомогательных механизмов. При проектировании и определении условий их эксплуатации необходимо учитывать влияние различного вида переходных процессов, особенно вызываемых сбросами нагрузки и отключением привода.

Литература:

1. Васильев Ю. С., Виссарионов В. И., Кукушкин В. А. Решение гидроэнергетических задач на ЭВМ. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 160 с.
2. Голоднов Ю. М. Самозапуск электродвигателей. 2-е изд. Перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1985. 136 с.
3. Носов К. Б., Дворок Н. М. Способы и средства самозапуска электродвигателей. М.: Энергоатомиздат, 1992, 144 с.
4. Хашимов А. А., Хусанов М. А., Абидов К. Г. Устройство для автоматического самозапуска насосных агрегатов. Патент UZ № IAP 02749 / «Официальный бюллетень». 2005. — № 3.
5. Хашимов А. А., Абидов К. Г. Энергоэффективные способы самозапуска электроприводов насосных станций. – Т.: «Фан ва техналогиялар», 2012, 176 с.