Реконструкция электропривода компрессора животноводческих ферм АОЗТ «Детскосельский» Ленинградской области

Реконструкция электропривода компрессора животноводческих ферм АОЗТ «Детскосельский» Ленинградской области Аннотация Данная дипломная работа посвящена переработке вопросов связанных с реконструкцией электропривода компрессора животноводческих ферм. Разработаны такие вопросы, как углубленный расчет электропривода компрессора с подбором всего необходимого электрооборудования, а также вопрос электроснабжения данной конструкции.

В ходе выполнения дипломной работы были рассчитаны основные характеристики и энергетические показатели.

В заключение дипломной работы представлен раздел по охране труда и техники безопасности; расчет технико-экономических показателей, которые показывают обоснованность внедрения дроссельного пуска в компрессорную станцию.

Неотъемлемой, составляющей частью дипломного проекта является также прилагаемый к нему графический материал.

Содержание Введение

1. Существующая компрессорная станция

1.1 Общее описание и структурная схема

1.2 Электрическая схема привода

1.3 Задачи работы

2. Предлагаемая система электропривода

2.1 Электрическая схема и описание ее работы

2.2 Способы пуска асинхронного двигателя

2.3 Определение параметров электропривода

2.4 Расчет индуктивности дросселя

2.5 Пусковая диаграмма с применением дросселя

3. Расчет механических характеристик электропривода

3.1 Диаграмма нагрузки

3.2 Расчет механической характеристики

3.3 Расчет энергетических показателей

4. Электрические аппараты и электроснабжение

4.1 Выбор электрических аппаратов

4.2 Электроснабжение

5. Безопасность и экология

5.1 Анализ условий и безопасности труда на проектируемом объекте, обоснование путей профилактики травматизма

5.2 Организационно-технические мероприятия по обеспечению безопасного производства работ в электроустановках

5.3 Инженерно-технические решения. Заземление

5.4 Противопожарная профилактика при эксплуатации электроустановок

5.5 Экология

5.6 Безопасность в чрезвычайных ситуациях

6. Технико-экономическое обоснование Заключение Список использованной литературы Введение Сельскохозяйственный производственный кооператив «Детскосельский» основан в 1931 году. Полное название кооператива звучит следующим образом: Ордена Ленина сельскохозяйственный производственный кооператив «Племенной завод по разведению крупного рогатого скота чернопестрой породы». Кооператив занимает пятое место по производству сельскохозяйственной продукции в Ленинградской области. Хозяйство находится в 25 километрах от Санкт-Петербурга и в 3 километрах от Пушкина.

Первоначально хозяйство было основано как совхоз. Особое внимание уделялось выращиванию молодняка. В военные годы по территории совхоза проходила линия фронта. За военные годы хозяйству был нанесен существенный ущерб. К 1956 году хозяйство достигло предвоенного уровня, а по некоторым показателям превзошло его. К концу 70-х годов «Детскосельский «превратился в крупное высокорентабельное предприятие. С помощью государства, которое делало значительные капиталовложения в хозяйство, повысился уровень механизации трудоемких процессов, выросли урожаи овощных культур, повысились надои молока. В 1979 году «Детскосельский» получил статус племенного хозяйства и вошел в общую систему страны. В октябре 1992 года хозяйство было преобразовано в акционерное общество закрытого типа. В 2000 году АОЗТ «Детскосельский» было преобразовано в сельскохозяйственный производственный кооператив.

Предприятие имеет три фермы: «Центральная», «Пушкинская» и ''Колпинская" и свой молокозавод, расположенный на территории кооператива. Также в хозяйстве выращивают овощи: картофель, капусту, морковь, свеклу, редис и другие.

Хозяйство имеет свою столовую, дом культуры, общежитие, санаторий, дом спорта.

На сегодняшний день кооператив успешно развивается: строится новый животноводческий комплекс, осваивается выпуск нового вида продукции: овощи в вакуумной упаковке, налаживаются связи с иностранными партнерами.

На предприятии создаются оптимальные условия для рабочего персонала: рабочим ежемесячно выдается мясная, молочная продукция, продаются овощи по льготным ценам. Отдельным работникам выдаются льготные путевки в санатории, за низкую плату предоставляется жилье.

Сельскохозяйственный производственный комплекс занимается выращиванием крупного рогатого скота. Важным вопросом при выращивании крупного рогатого скота является уборка и удаление навозной массы. На фермах (на территории комплекса их количество составляет четыре), где содержится крупный рогатый скот, для удаления навозной массы из помещения по навозопроводу в хранилище, используются пневмоустановки типа УПН-15. Данная установка приводится в действие посредством сжатого воздуха. Сжатый воздух создаётся компрессорными станциями. Две компрессорные станции расположены на территории комплекса, предназначенные для снабжения сжатым воздухом пневмоустановки.

На сегодняшний день актуальным вопросом является техническое состояние, а также модернизация компрессорных станций предназначенных для бесперебойной работы и снабжения сжатым воздухом пневмоустановки.

Объёмы производства в СПК «Детскосельский» представлены в таблице 1.

Таблица 1

Размеры и эффективность производства в СПК «Детскосельский»

По данным таблицы видно, что набольшее изменение произошло в среднегодовой стоимости оборотных средств, она возросла в три раза (308,5%). Среднегодовая стоимость основных средств так же возросла на 92%. Эти увеличения во многом связаны с ростом цен.

Произошли изменения в площади сельскохозяйственных угодий. 10,4% сельхозугодий было передано на непроизводственные цели. Среди этих земель передано пашни 3,5%.

Среднегодовая численность работников снизилась до 73,5%, но в тоже время среднегодовая оплата труда одного работника возросла на 63%. Это обусловлено повышением уровня автоматизации технологических процессов.

В 2012 году по сравнению с 2010 годом увеличилось поголовье крупного рогатого скота на 4,2% за счет молодняка. Поголовье коров осталось неизменным. При этом на 11,2% увеличился среднегодовой надой на 1 корову. Причиной послужили изменения в технологии производства продукции, в том числе в рационе кормления, в условиях содержания и так далее.

Валовая продукция увеличилась на 16,5%. Увеличение товарной продукции на 3,2% связано с направлением дополнительной части валовой продукции на реализацию и тем самым снижением доли на собственное потребление хозяйством.

За счет увеличения производственных ресурсов (среднегодовой стоимости оборотных средств на 208,5%, среднегодовая стоимость основных средств на 92%, заработной платы на 63%) возросла себестоимость продукции на25,1%. Это обуславливает снижение прибыли в 2012 году по отношению к 2011 году на 18%.

1. Существующая компрессорная станция

1.1 Общее описание и структурная схема Оборудование компрессорной станции (рис. 1).

Для привода компрессора используется асинхронный двигатель. Компрессор предназначен для подачи пульсирующей струи воздуха. Для получения равномерной струи воздуха в сеть необходимо устанавливать ресивер.

Назначение и конструкция ресивера.

Ресивер служит для выравнивания пульсирующего потока воздуха, поступающего из компрессора, а также для отделения воды и масла, содержащихся в сжатом воздухе. Они изготовляются в виде герметичных цилиндрических резервуаров, устанавливаемых горизонтально или вертикально на фундаменте.

Ресивер рекомендуется устанавливать вне здания за его капитальной стеной на северной стороне, на расстоянии 12−15 м от компрессорной.

Установка ресивера должна обеспечивать свободный доступ к нему, возможность осмотра, ремонта, очистки, как с внутренней, так и с наружной стороны. Для удобства обслуживания и осмотра ресивера должны быть устроены площадки и лестницы. Установка ресиверов производится в соответствии с утверждёнными проектами и правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением.

Для лучшего отделения масла и влаги ресиверы рекомендуется устанавливать в вертикальном положении, подводить воздух в середину ресивера, а отводить сверху. Внутри ресивера устанавливают перегородки или отбойные щиты, заставляющие воздух менять свое направление, что улучшает сепарацию влаги и масла и устраняет возможность возникновения воздушных мешков, способствующих образованию легко воспламеняющейся взрывчатой смеси.

Каждый ресивер должен иметь:

а) фланцы для подводящего и отводящего трубопроводов;

б) фланец для трубки, подводящей воздух к регулятору;

в) предохранительный клапан;

г) манометр;

д) спускной кран для выпуска воды и масла;

е) люки и лазы;

ж) запорный вентиль для отключения от сети.

Кроме того, рекомендуется иметь дополнительно один — два фланца для присоединения временных трубопроводов и гнезда для установки термометров.

В верхней части воздухосборника устанавливается легкоплавкая пробка.

Предохранительный клапан на ресивере должен быть отрегулирован на предельное давление, превышающее наибольшее рабочее давление воздуха не более чем на 10%.

Во избежание конденсации паров воды в ресивере между компрессором и ресивером рекомендуется устанавливать холодильники, в которых происходит конденсация паров воды и масла.

Для наблюдения за давлением воздуха устанавливается манометр. Между ресивером и компрессором размещается обратный клапан для предотвращения обратного течения сжатого воздуха в случае разрыва линии.

Назначение предохранительного клапана.

Предохранительный клапан при повышении давления воздуха сверх допустимого, открываясь, выпускает излишек воздуха и тем самым не допускает аварии компрессорной установки. При закрытом клапане сжатый воздух действует на небольшую площадь, равную проходу в седле. При повышении давления под клапаном сверх допустимого он начинает подниматься, преодолевая жёсткость пружины, и давление действует на большую площадь, равную площади дифференциальной части клапана, вследствие чего он быстро поднимается, открывая большее проходное отверстие.

Рис. 1. Структурная схема компрессорной станции

1) фильтр; 2) компрессор; 3) муфта; 4) электродвигатель; 5) масловлагоотделитель; 6) ресивер; 7) краник; 8) предохранительный клапан; 9) манометр; 10) потребитель.

Предохранительные клапаны должны работать чётко и надёжно.

Назначение масловлагоотделителя и фильтра.

Масловлагоотделители применяются для отделения из воздушного потока масла и влаги (для высушивания воздуха). Действие масловлагоотделителя основано на инерции: при резком повороте струи газа частицы влаги и масла, имеющие более высокую плотность, выпадают из струи. Для достаточно полного очищения воздуха скорость его в корпусе масловлагоотделителя не должна превышать (0,3−0,5) м/с.

Проникающие вместе с воздухом механические примеси вызывают быстрый износ поверхности цилиндров, втулок и распределительных клапанов компрессора. Для предохранения компрессора от попадания в него вместе с воздухом механических примесей на всасывающих трубопроводах устанавливаются очистительные фильтры: сотовые и матерчатые.

Сотовый фильтр представляет собой металлический ящик высотой около 100 (мм) с верхней и нижней крышками, размером 600×600 (мм). Крышка выполнена в виде рамки, на которую натянута сетка. Ящик заполняется обрезками трубок диаметром 15 мм и длиной 20 мм. При прохождении воздуха через такой ящик механические примеси выпадают из потока. В фильтрах устанавливается несколько таких ящиков. Для улавливания взвешенных в воздухе частиц пыли кольца фильтров смачиваются висциновым маслом (смесь из 60% цилиндрового и 40% солярового масла).

Матерчатый фильтр состоит из деревянной камеры, внутри которой на рамах натянута прочная материя. Воздух перед поступлением в компрессор проходит через материю, и на ней задерживаются частицы пыли. Для предохранения материи от повреждения фильтр закрывают крышкой, имеющей жалюзи. [22, 24, 29].

Помещение компрессорной станции содержит оборудование такое как: 1) фильтр; 2) компрессор; 3) муфта; 4) электродвигатель; 5) масловлагоотделитель; 6) ресивер; 7) краник; 8) предохранительный клапан; 9) манометр; 10) потребитель.

Схема расположения оборудования представлена на рис. 1.

Данная установка состоит из: асинхронного двигателя, компрессора, фильтра, масловлагоотделителя, предохранительных клапанов, спускного крана и ресивера.

Таблица 1.1.1

Паспортные данные асинхронного электродвигателя: тип 4AH180S2У3

Асинхронные двигатели являются в настоящее время самым распространённым видом электродвигателя в промышленности и сельском хозяйстве. Это определяется рядом преимуществ асинхронных двигателей по сравнению с другими видами двигателей: он более прост и надёжен в эксплуатации, для его изготовления требуется меньше цветных металлов, он имеет меньшие массу, габариты и стоимость, чем двигатели постоянного тока.

До недавнего времени асинхронные двигатели применялись главным образом в нерегулируемом электроприводе. Вместе с тем в связи с появлением серийно выпускаемых электротехнической промышленностью силовых тиристорных устройств — преобразователей напряжения и преобразователей частоты — растёт число регулируемых электроприводов с асинхронным двигателем. Такие электроприводы имеют хорошие регулировочные и массогабаритные свойства, а также стоимостные показатели. В связи с этим применение асинхронного электропривода представляет собой важное направление в развитии электропривода.

В существующей компрессорной установке используется асинхронный двигатель, который приводит в действие компрессор. Асинхронный двигатель соединён с компрессором с помощью муфты.

Таблица 1.1.2

Техническая характеристика компрессора: тип КТ6-ЭЛ-ГБ

Компрессор КТ-6 предназначен для обслуживания сжатым воздухом пневмоустановки типа УПН-15, для транспортировки навоза по навозопроводу в хранилище.

Компрессор КТ-6 — двухступенчатый, трёхцилиндровый с V-образным расположением цилиндров воздушного охлаждения.

Цилиндры имеют внешние рёбра для увеличения поверхности охлаждения.

Воздушное охлаждение осуществлено от вентилятора, приводимого в движение через клиноременную передачу от маховика.

Цилиндры низкого давления снабжены воздушными фильтрами и конденсационными бачками с кранами для спуска конденсата.

Для смазки компрессоров применяется масло: зимой марки «М» ГОСТ- 1861−44, летом марки «Т» ГОСТ 61–44.

Режим работы компрессора продолжительный. Включение и отключение может происходить автоматически в зависимости от давления сжатого воздуха [22, 24, 25].

Включение может производиться при падении давления в резервуарах до 5,5 атм., а выключение — при достижении давления 7 атм.

Установка служит для транспортировки навоза любой консистенции (жидкого, полужидкого, подстилочного) от коровника в любых климатических условиях (при окружающей температуре от -40 до +50?С) Установка работает следующим образом. Навоз под действием собственной массы и вакуума, создаваемого насосом, поступает в рабочую камеру. После её заполнения клапан перекрывает окно загрузочной воронки и открывает нагнетательный клапан навозопровода. Поршень насоса, совершая рабочий ход, выталкивает навоз из рабочего цилиндра по навозопроводу в хранилище. Навозопровод проложен под землёй ниже уровня промерзания.

Навозохранилище заполняется снизу, что предотвращает замерзание выходного конца навозопровода и навозного бурта, так как промерзший в промежутках между уборками верхний слой предохраняет от мороза поступающие снизу новые порции навоза.

Благодаря применению пневмоцилиндра, специального клапанного механизма, термообработанного и хромированного поршня и системы защиты от перегрузок достигают высокой надёжности установки при работе в разных климатических условиях.

Заборная камера приводится в действие пневмоцилиндром. При этом легко разрезаются соломистые материалы, за счёт чего обеспечивается надёжная транспортировка подстилочного навоза по трубопроводу.

Подача навозной массы до 7−10 т/ч, дальность транспортировки до 100 метров.

Принцип действия компрессоров и классификация поршневых компрессоров.

Чередование процессов всасывания и нагнетания в поршневых компрессорах такое же, как в поршневых насосах. При нагнетательном ходе поршня насоса ввиду несжимаемости жидкости сразу же начинается выталкивание жидкости через нагнетательный клапан, а в поршневом компрессоре при нагнетательном ходе поршня воздух сначала сжимается, а уже затем выталкивается поршнем через нагнетательный клапан.

Одноступенчатый компрессор простого действия имеет открытый с одного конца цилиндр 4, в котором движется поршень 3, приводимый в действие от кривошипного механизма и совершающий возвратно-поступательное движение (рис. 2). В левой крышке размещены всасывающий клапан 2, открывающийся в сторону поршня, и нагнетательный клапан 1, открывающийся в сторону нагнетательного трубопровода. При движении поршня вправо в пространстве между крышкой и поршнем создаётся разрежение, вследствие чего под действием атмосферного давления всасывающий клапан 2 поднимается и, открывая клапанное отверстие, впускает воздух в цилиндр. Когда поршень достигает крайнего правого положения, клапан под действием пружины опускается на своё седло и закрывает отверстие, в результате чего воздух перестаёт поступать в цилиндр. В течение всего периода всасывания отверстие нагнетательного клапана остаётся закрытым.

При движении поршня влево воздух, находящийся в цилиндре, сжимается до тех пор, пока давление в цилиндре не достигнет величины, достаточной для преодоления сопротивления специально отрегулированной пружины нагнетательного клапана. По достижении этого давления нагнетательный клапан 1 поднимается, и сжатый воздух выталкивается из цилиндра в нагнетательный трубопровод. Заметим, что сжатый воздух, выталкиваемый поршнем из цилиндра, преодолевает, кроме жёсткости пружины, и давление воздуха в нагнетательном трубопроводе.

Совокупность описанных выше процессов называется циклом работы компрессора. Полный цикл работы компрессора простого действия происходит, таким образом, за два хода поршня (вперёд и обратно), т. е. за один оборот приводного вала.

Рис. 2. Схема простейшего компрессора Классификация поршневых компрессоров В зависимости от способа действия, числа ступеней и т. п. поршневые компрессоры классифицируются следующим образом:

а) по способу действия — простого и двойного;

б) по расположению оси цилиндра — горизонтальные, вертикальные, производительностью не более 40 м / мин; угловые; со звёздным расположением цилиндров, применяются при небольших производительностях в передвижных установках;

в) по числу ступеней — одноступенчатые, двухступенчатые, многоступенчатые;

г) по числу цилиндров — одноцилиндровые, двухцилиндровые, многоцилиндровые;

д) по конечному давлению — низкого, высокого;

е) по способу охлаждения — с воздушным охлаждением — мелкие по габаритным размерам; с водяным охлаждением — водяная рубашка и наружное охлаждение в промежуточных холодильниках для многоступенчатых компрессоров;

ж) по частоте вращения — тихоходные (не выше 200 об/мин); средней быстроходности (от 20СН-250 об/мин); быстроходные (450−4000 об/мин);

з) по роду сжимаемого газа — воздушные, кислородные, аммиачные и другие.

и) по установке — стационарные, передвижные. [12]

1.2 Электрическая схема привода Принципиальная электрическая схема включения асинхронного двигателя при помощи магнитного пускателя с тепловыми реле и автоматическим выключателем с электромагнитным расцепителем изображена на рис. 3.

Данная электрическая схема содержит:

— автоматический выключатель серии, А 3124,

— магнитный пускатель серии ПАЕ — 522,

— кнопочную станцию серии ПКЕ — 222 — 2УЗ,

— тепловое реле серии РВ — 200,

— асинхронный двигатель типа 4АН180 $ 2УЗ,

— питающие кабели.

Автоматический выключатель предназначен для защиты электродвигателя от токов короткого замыкания и токов перегрузки Магнитный пускатель предназначен для подачи питания на электродвигатель.

Кнопочная станция служит для управления магнитным пускателем.

Тепловое реле используется для защиты электродвигателя от длительных перегрузок.

Для привода компрессора используется асинхронный двигатель.

Соединение элементов электрической схемы осуществляется с помощью питающих кабелей.

Работает схема управления следующим образом. Включением автоматического выключателя QF (рис. 3) на установку подаётся сетевое напряжение. При последующем нажатии кнопки управления SB1 «Пуск» на катушку магнитного пускателя подаётся напряжение, пускатель срабатывает и замыкает контакты в силовой цепи. Одновременно замыкается блокировочный контакт КМ:4 и шунтирует кнопку SB1 «Пуск», поэтому при отпускании кнопки двигатель не отключается от сети.

Для остановки двигателя следует нажать на кнопку SB2 «Стоп». При этом разрывается цепь питания катушки магнитного пускателя КМ и двигатель отключается от сети контактами КМ:1…КМ:3.

Следствие прямого пуска.

Данный способ прямого включения на сеть асинхронного двигателя является в настоящее время наиболее распространённым.

В существующей компрессорной установке пуск двигателя осуществлялся прямым включением на сеть.

При прямом пуске асинхронный двигатель создаёт пусковой момент во много раз больший момента сопротивления компрессора. При этом муфта, соединяющая компрессор и электродвигатель быстро изнашивалась и выходила из строя.

По этой причине в элементах соединения возникают недопустимые по функционированию динамические нагрузки.

Для снижения динамических нагрузок необходимо уменьшать пусковой начальный момент. Для асинхронного двигателя это решается путём уменьшения напряжения. Пусковой момент уменьшается пропорционально квадрату напряжения. [15, 28]

Рис. 3. Существующая электрическая схема~ 380/220 В 50 Гц

1.3 Задачи работы Основной задачей дипломной работы является решение вопросов плавного пуска электродвигателя. Уменьшение пускового момента может быть достигнуто снижением напряжения на зажимах электродвигателя.

Необходимо рационально выбрать способ плавного пуска, на основании параметров электропривода. Выбрав наиболее рациональный способ пуска (дроссельный пуск для данных условий), следует произвести расчёт индуктивности дросселя. Задача расчета заключается в определении индуктивного сопротивления катушки, которое бы обеспечило снижение пускового начального момента электродвигателя. После выполненных предварительных расчетов (на фазу) по соотношению числа витков, сечения сердечника и зазора выбираем дроссель. Далее производим расчёт и выбор электрических аппаратов пуска и защиты электрооборудования компрессорной станции. Выбрав необходимое оборудование, строим пусковую диаграмму и выполняем расчёт механических характеристик электропривода. Проанализировав основные характеристики электропривода, делаем выводы.

2. Предлагаемая система электропривода

2.1 Электрическая схема и описание её работы В данной компрессорной установке существующую схему пуска компрессора, с помощью асинхронного двигателя включающего прямым способом пуска на сеть, я предлагаю сделать расчёт и выбор электрооборудования компрессора. Для данных условий компрессорной станции рационально будет применение дроссельного пуска асинхронного двигателя. То есть, во время пуска асинхронного двигателя дроссель включается в схему посредством реле времени автоматически. Таким образом, дроссель ограничивает пусковой ток, следовательно, и пусковой момент электродвигателя. Поэтому, предлагаемый способ плавного пуска исключает обрыв и выход из строя муфты, находящейся на валу между асинхронным двигателем и компрессором.

Делая вывод, можно сказать, что предлагаемая система электропривода является наиболее приемлемой для использования в компрессорной станции для данных условий.

Предлагаемая электрическая схема электропривода изображена на рис. 4 электрическая схема состоит из:

* автоматического выключателя серии АЗ710Б;

* контакторов типа КТ 6000;

* кнопочной станции серии ПКЕ-222−2УЗ;

* реле времени типа РВ — 200;

* теплового реле серии РТТ-31;

* асинхронного двигателя типа 4АН180Б2УЗ.

Данная схема работает следующим образом.

Включением автоматического выключателя QF1 (рис. 4) на установку подаётся сетевое напряжение. При последующем нажатии кнопки управления SB1 «Пуск» одновременно на реле времени РВ и катушку контактора КМ2 через контакт реле времени РВ-1 подаётся напряжение. Таким образом, подаётся напряжение через дроссель и двигатель, при пониженном напряжении начнёт запускаться. По истечении определённого времени срабатывает реле времени и размыкает свой контакт РВ-1, тем самым обесточивает катушку контактора КМ2 и контактор КМ2 отключается, одновременно контакт реле времени РВ-2 замыкается и подаётся напряжение на катушку контактора КМ1. Контактор КМ1 включается и двигатель уже начинает работать при полном напряжении в установившимся режиме.

Для защиты электродвигателя от токовых перегрузок используется тепловое реле типа РТТ- 11.

Основные параметры электрических аппаратов приведены в нижеуказанных таблицах [2.1.1−2.1.9]

Таблица 2.1.1

Основные параметры автоматического выключателя

Таблица 2.1.2

Основные параметры контактора

Таблица 2.1.3

Основные параметры теплового реле

Таблица 2.1.4

Основные параметры кнопочной станции.

Таблица 2.1.5

Основные параметры дросселя

Таблица 2.1.6

Основные параметры реле времени

Таблица 2.1.7

Параметры асинхронного двигателя

Таблица 2.1.8

Параметры схемы замещения в относительных единицах

Таблица 2.1.9

Данные электродвигателя

На рис. 5 изображены схемы замещения асинхронного двигателя:

а) физическая схема замещения;

б) Т — образная схема замещения;

в) точная схема замещения.

Рис. 5 Схемы замещения асинхронного двигателя: а — физическая схема замещения; б — Т-образная схема; в — точная схема замещения.

2.2 Способы пуска асинхронного двигателя

1. Прямое включение на сеть. Пуск осуществляется напрямую без каких либо приспособлений и возможен, если питающая сеть достаточно мощная. Способ отличается предельной простотой, но в то же время он сопряжён с более или менее значительными толчками тока, которые могут вредно отразиться на работе питающей сети. Данный способ пуска является наиболее распространённым (см. рис. 6а).

2. Пуск в ход посредством реактора в цепи статора. Реакторы применяют для ограничения пускового тока и пускового момента. Уменьшение пускового момента электродвигателя может, достигнуто путём снижения напряжения на зажимах двигателя при пуске. Пусковой момент уменьшается пропорционально квадрату напряжения. Данный способ является наиболее целесообразным для пуска компрессора (см. рис.6б).

3. Пуск в ход посредством автотрансформатора. Пуск при пониженном напряжении, мало применяемый из-за значительного снижения пускового и номинального момента, а также из-за дорогой стоимости оборудования и технического обслуживания автотрансформатора. Применяется данный способ в тех случаях, когда вопрос о величине пускового момента не имеет существенного значения (см. рис. 7).

4. Пуск в ход посредством переключения звезда — треугольник (?/?). Таким образом, пусковой ток в сети при соединении обмотки статора звездой в три раза меньше, чем при соединении треугольником. Однако при этом пусковой момент уменьшается тоже в три раза (см. рис. 6в).

5. Пуск асинхронного двигателя с помощью системы плавного пуска. В основе работы этой системы лежит тот принцип, что при малом напряжении на двигателе пусковой ток и крутящий момент также малы. Эта система позволяет избежать рывков при пуске. Одним из преимуществ является возможность точной регулировки крутящего момента, независимо от того, есть ли нагрузка приводимого механизма. В принципе, можно достичь полного пускового момента, однако существенным отличием является более бережное отношение к приводимому механизму, что в результате выражается в снижении затрат на техническое обслуживание рис. 8.

Основные характеристики способов пуска (1,4,5) изображены на рис. 9.

Поэтому, из выше перечисленных способов пуска наиболее приемлемым и эффективным для данных условий компрессорной станции, является пуск асинхронного двигателя с применением дросселя в цепи статора. [3, 15, 28]

Рис. 6

Рис. 7. Автотрансформаторный способ пуска Рис. 8. Система плавного пуска Рис. 9. Система плавного пуска

2.3 Определение параметров электропривода Основные данные асинхронного двигателя:

Номинальная мощность Р — 37 кВт;

Номинальное напряжение U = 380 В;

Номинальная частота вращения n = 970 об/мин;

Коэффициент полезного действия з = 0,73;

Режим работы S1;

Кратность пускового тока m_п,= 1,2;

Минимальная кратность момента m_м = 1;

Максимальная кратность момента m_k= 2,2;

Номинальный ток I_ном ⁼ 91 А Вес двигателя 475 кг;

а) Определяем угловую скорость вращения двигателя по формуле:

щ_{ном. дв. = •} n, (1)

где — 3,14; n = 970 об/мин.

щ_{ном. дв.} = = 101,53 (рад/с);

б) Определяем номинальный момент двигателя по формуле:

М_{ном. дв.} =, (2)

где Р_ном = 37 000 (Вт).

М_{ном. дв.} = 364,4 (Нм);

в) Определяем пусковой момент двигателя М_п.дв. по формуле:

М_п.дв. = 1,2 • М_ном.дв.,

при кратности пускового момента m = 1,2

М_п.дв. = 1,2 • 364,4 = 437,3 (Нм).

г) Определяем пусковой ток двигателя по формуле:

I_п = (5:7) • I_ном, (3)

где I_ном = 91(А).

I_п = (5:7) • 91 = 480 (А);

д) Определяем номинальное скольжение по формуле:

S_ном =, (4)

где щ? — синхронная скорость об/мин.

щ? = 1000 (об/мин).

щ_ном — номинальная скорость вращения об/мин.

S_ном = = 0,03

е) Находим номинальный момент компрессора М_{ном.ком.} при частоте вращения n = 850 (об/мин), пр формуле:

М_{ном.ком.} =, (5)

где Р_ном — номинальная мощность компрессора, Р = 44 100 (Вт), при n = 850 (об/мин), при р = 8 (атм), необходимо снизить давление, создаваемое компрессором до р = 7 (атм), для того чтобы двигатель мог запуститься. При р = 7 (атм), n = 850 (об/мин) номинальная мощность компрессора, Р = 37 100 (Вт) щ_ном = • n

щ_ном = = 89 (рад/с).

М_{ном.ком.} = = 365,4 (Нм).

ж) Определяем величину начального момента трогания компрессора по формуле:

М_тр.ком. = (30 : 50%) • М_{ном.ком.,} (6)

М_тр.ком. = 182,7 (Нм).

Рассчитываем параметры схемы замещения. Схему замещения применяют для упрощения расчета основных параметров асинхронной машины.

а) Определяем активное сопротивление статора по формуле:

R₁ = R₁? • Z_н, (7)

где R₁? — приведенное активное сопротивление статора в о. е:

R₁? = 0,035.

Z_н — полное сопротивление Ом по формуле 8:

Z_н = ,

где U_ф — фазное напряжение В,

I_ном — номинальный ток электродвигателя.

Z_н = = 2,42 (Ом)

R₁ = 0,035 • 2,42 = 0,085 (Ом).

б) Определяем активное сопротивление ротора по формуле:

R₂ = R₂" • Z_н, (8)

где R₂" - приведённое активное сопротивление ротора в о.е.

R₂" = 0,019 (Ом).

R₂ = 0,019 • 2,42 = 0,046 (Ом).

в) Определяем индуктивное сопротивление статора по формуле:

X₁ = X'₁ • Z_H, (9)

где X'₁ — индуктивное сопротивление статора в о.е.

X'₁ = 0,084 (Ом).

X₁ = 0,084 • 2,42 = 0,2 (Ом).

г) Определяем индуктивное сопротивление обмотки статора по формуле:

X₂ = X₂" • Z_h ,(10)

где Х₂" - индуктивное сопротивление обмотки ротора в о.е.

Х₂" = 0,1 (Ом).

Х₂ = 0,1 • 2,42 = 0,24 (Ом).

д) Находим общее активное сопротивление по формуле:

R_k = R₁+R₂,(11)

R_k = 0,085+0,046 = 0,131(Ом).

е) Находим общее индуктивное сопротивление по формуле:

Х₂ = Х₁ + Х₂ ,(12)

Х₂ = 0,2 + 0,24 = 0,44 (Ом).

ж) Определяем полное сопротивление Z_k при коротком замыкании по формуле:

Z_k =, (13)

Z_k = = 0,458 (Ом).

з) Делаем проверку, определяем пусковой ток двигателя I_п.дв.

I_п.дв. = = = 480 (А),

следовательно, полное сопротивление определено верно.

и) Определяем общий момент сопротивления при пуске по формуле:

М_с = М_с.о.дв. + М_{с.о.ком.} ,(14)

где М_с.о.дв. — момент сопротивления холостого хода двигателя, М_с.о.дв. = 10% • (М_ном.дв.).

М_с.о.дв. = 10% • (364,42) = 36,44 (Нм).

М_{с.о.ком.} — момент трогания компрессора при пуске.

(пуск компрессора производится при декомпрессии, при открытых клапанах не на противодавление).

М_{с.о.ком.} = (30 : 50)% • М_ном. ,

М_{с.о.ком.} = (30 : 50)% • 365,4 = 182,7 (Нм).

М_с= 36,44 + 182,7 = 219,14 (Нм).

Производительность компрессора составляет Q = 5,3 м³/мин, при давлении Р = 7 атм. [5,21]

2.4 Расчёт индуктивности дросселя Дроссель представляет собой катушку индуктивности на ферромагнитном сердечнике с зазором, изображенную на рис. 10. Магнитопровод состоит из отдельно набранных пластин, изготовленных из листовой стали и изолированных друг от друга. Величина магнитной проницаемости µ_Fe магнитопровода µ_Fe «µ_о (допущение).

µ_о — магнитная постоянная вакуума равна,

µ_о = 4 • р • 10^-7 (Гн/м).

Задача расчёта заключается в определении индуктивного сопротивления катушки, которое бы обеспечило снижение начального пускового момента асинхронного электродвигателя. Задаваясь значениями площади магнитопровода S = 10Ч10(см), величиной воздушного зазора д = 5 (мм), производим расчёт индуктивности катушки.

Площадь магнитопровода С₁ЧС₂ равная 10Ч10 (см).

Величина воздушного зазора в магнитопроводе д = 5 (мм).

Для того чтобы определить полное сопротивление дросселя Z_др., необходимо рассчитать суммарное сопротивление дросселя и электродвигателя.

а) Суммарное сопротивление дросселя и электродвигателя Z _общ. можно получить из формулы моментов:

М_п = (15)

Z_o6щ. = (16)

Зная пусковой момент асинхронного двигателя (сниженный вдвое) М_п.дв. = 218,65 (Нм), определяем Z_общ.

= = ,

Z_{общ. = =} 0,54 (Ом) б) Зная суммарное сопротивление дросселя и двигателя Z_общ., а также полное сопротивление двигателя при коротком замыкании Z_к.дв., определим полное сопротивление дросселя Z_др по формуле:

Z_др = Z_общ — Z_к.дв, при Z_к.вд = 0,45 (Ом)

Z_др = 0,54−0,45 = 0,09 (Ом).

Рис. 10 Общий вид дросселя в) Определим индуктивность катушки L

Примем Xиндуктивное сопротивление дросселя X ~ Z_др = 0,09 (Ом).

L = (17)

г) Определяем по формуле:

щ = 2 • р • f, (18)

где f — частота питающей сети, щ — угловая частота. f = 50 (Гц) щ = 2 • 3, 14 • 50 = 314 (рад/с).

L = = 0,0003 (Гн).

д) Задаёмся значением площади поперечного сечения S_серд. = 100 (см²).

Значение магнитного сопротивления R_µ, при µ_Fe «µ₀ равно магнитному сопротивлению зазора R_µд, то есть R_µ =R_µд.

Величина воздушного зазора составляет д = 5 (мм).

Определим магнитное сопротивление зазора R_µд по формуле:

R_µд = (19)

R_µд = = 4 • 10⁵ (А/Вб).

е) Определим число витков w катушки дросселя.

w = ,

w = = 11 витков.

Определяем среднюю длину магнитопровода -1,

1 = 4 • 10⁵ • 4 • р • 10^Ї? • 0,01 = 0,38 (м).

Таким образом, был получен расчёт параметров дросселя (L = 0,003 (Гн); д = 5 (мм); R_µ = 4 • 10⁵ (А/Вб); w = 11 витков; S = 16 (мм²)).

В дальнейшем проведём проверку дросселя на линейность.

Зная пусковой ток асинхронного двигателя Й_п.дв.= 480 (А) а) Определим намагничивающую силу катушки F по формуле:

F = Й_п.дв. • w,(20)

где w — число витков.

F = 480 • 11 =5280 (А).

б) Определяем магнитный поток Ф по формуле:

Ф =, (21)

Ф = = 1,32 • 10^-2 (Вб) = 13 (мВб).

в) Определяем магнитную индукцию В_д по формуле:

В_д =, (22)

В_д = = 1,3 (Тл).

г) Выберем сечение провода дросселя. По номинальному току Й_др.[7] находим ближайшее наибольшее табличное значение равное 100 А. Сечение провода марки ПРТО (провод с медной жилой, с резиновой изоляцией) S = 16 (мм^І).

Выполнив проверку на линейность, можно сказать, что у данного дросселя линейная характеристика В_д = 1,3 (Тл) это позволяет утверждать что магнитная система линейная то есть, индуктивность не зависит от тока за всё время пуска. Если бы магнитная индукция В составила В_д = 2 (Тл), то пришлось бы делать пересчёт с учётом µ_Fe магнитного сопротивления сердечника. [11, 17]

Выполним расчёт графической зависимости индуктивности дросселя L от тока I. Выразим L из уравнений:

Так как

1) В =, то 2) Ф = ;

тогда 3) F = I • щ, подставляя в формулу 2 получаем Ф = ;

4) B =, 5) µ = =; 6) R_µ =; 7) L = ,

где Н — напряжённость магнитного поля, определяемая по формуле:

H =; (8)

H = = 10,3 • 10^-8 (А/м).

Подставляя различные значения тока в формулу 7, определяем индуктивность L и строим график зависимости L — f (1), изображённый на рисунке 11. Данные сводим в таблицу 2.3.1.

Таблица 2.3.1

Расчётные данные для построения характеристики L = f (I)

L = f (I)

Рис. 11. Характеристика дросселя. Зависимость индуктивности L от тока I

2.5 Пусковая диаграмма с применением дросселя

1) Определим суммарный момент инерции компрессора и электродвигателя J? по формуле (18):

Нам известен момент инерции электродвигателя J_дв. = 0,18 кг • м²;

Момент инерции коленчатого вала компрессора по ориентировочным данным [5, 8] (точных справочных данных не удалось найти) по формуле равно:

J_k = 0,7 • (J_дв.) (24)

J_k = 0,7 • 0,18 = 0,126 (кг • м²)

J_? = J_дв. + J_k, (23)

J_? = 0,18 + 0,126 = 0,206 (кг • м²).

Момент трогания компрессора (при открытых клапанах) М_о.ком. = 182,7 (Нм)

2) Расчёт естественной механической характеристики электродвигателя:

Для расчёта воспользуемся формулой Клосса [15, 23]:

М_п =, (25)

где М_к — кратность максимального момента электродвигателя.

М_к = 2,2;

s — скольжение (текущая координата);

? — угловое ускорение;

U • _с min = 0.9 — минимальное напряжение сети в относительных единицах;

М_п = = 1,2 — кратность пускового момента;

S _п = 1 — скольжение при пуске электродвигателя;

М_к = = 2.2

— кратность максимального (критического) момента электродвигателя.

Подставив М_п, М_к, S_п в формулу 25, имеем:

1,2 =; (26)

Выразим (?), из уравнения (26):

4,4 · (1 + ?) = 1,2 · + 2,4 · ?;

4,4 + 4,4? — - 1,2 · - 2,4 ·? = 0;

Выразив (?), получим:

? = + 0,6 · - 22;

3) л_н = ;

где — номинальное скольжение;

S_н = = = 0.03;

л_н = 1 — кратность номинального момента;

Подставив S_н, л_н в формулу Клосса (25) получим:

1 = =; (27)

Выразим (?) из уравнения 27:

4.4 = (1+ ?) = ;

2,4 ·? = - 4,4;

Выразив (?) получим:

? = + 13,88 · - 1,83; (28)

Приравняем правые части уравнений, получим:

+ 0,6 · - 2,2 = + 13,88 · - 1,83

Приравняем правую часть уравнения к нулю, получим:

— 13,28 · S_k — 0,37 = 0;

Преобразуем это уравнение, умножив левую часть на S_к, получим квадратное уравнение :

13,28 · S_K² + 1.37· S_к — 0,587 = 0;

Решая данное уравнение, получим[15, 23]:

D = b² — 4· а· с = 0,37² + 4 · 13,28 · 0,587 = 31,32

S_K = = = 0,196;

Подставив S_к = 0,196 в формулу (28),

получим? =0,953;

Для того чтобы удостоверится в правильности найденных значений, сделаемпроверку подставив? = 0,953 и S_K = 0,196 в формулы (25) и (27), получим:

1) л_н =; 2) М_п = ;

1? ? 1,002; 1,2? ? 1,195;

Расчёт выполнен верно.

Подставляя найденные? и S_K в формулу (27) и задаваясь различными значениями скольжения, построим механическую характеристику двигателя (рис. 12). Данные расчётов сведены в таблицу 2.4.1

Таблица 2.4.1

Данные для построения естественной механической характеристики асинхронного двигателя

Для определения необходимых нам параметров произведем следующие графические построения:

1) Графически вычитаются характеристики и определяется кривая динамического момента М_дин = М — М_с;

2) Момент сопротивления механизма (компрессора) составляет М_с ком. = 182,7 (Нм);

3) Кривая динамического момента делится на ряд участков, на каждом из которых момент предполагается постоянным и равным среднему значению;

4) Затем по графику определяем? щi для каждого участка и рассчитываем М_дин.ср;

5) Определяем приращение скорости? t и строим временную характеристику пуска (без применения дросселя в цепи статора электродвигателя).

Средний динамический момент рассчитывается следующим образом:

М_дин.ср = (29)

где, M? — момент в начале участка, (Нм);

— момент в конце участка, (Нм).

М_дин.ср = = = 125

Рассчитываем приращение времени на каждом участке:

?t = J_У · (30)

Общий момент инерции есть сумма моментов инерции двигателя J_дв (из паспортных данных) и механизма J_мex

где, J_У — общий момент инерции, кг м.

J_У — 0,206 кгм²

?t = 0,206 · = 0,006 с.

Расчётные данные сводим в таблицу 2.4.2.

Таблица 2.4.2

Расчётные данные для построения характеристик

1) 3атем по расчётным данным строим характеристику щ = f (t_п) рис. 12.

2) Определяем время пуска компрессора t_п (без применения дросселя) по формуле:

t_п=У?t_i,(31)

где У? t_i определяем путём суммирования всех двенадцати участков.

t_п = 0,095? 0,1 с.

Общее время пуска составило t_п = 0,1сек. На основании этого можно сказать, что пуск компрессора происходит довольно-таки быстро. Из пусковой диаграммы видно, что при пуске асинхронный двигатель развивает большой избыточный динамический момент М_дин., из-за которого возникают динамические нагрузки и впоследствии чего, муфта выходит из строя.

Для того чтобы это явление исключить вводим в цепь статора дроссель. Таким образом, с помощью дросселя, двигатель будет запускаться при пониженном напряжении, пусковом токе, а главное при пониженном пусковом моменте.

Чтобы в этом убедиться, необходимо построить пусковую диаграмму с дросселем в цепи статора асинхронной машины.

1) Найдём падение напряжения на дросселе? U по формуле:

?U_др. ⁼ I_п.дв · Z_др.,(32)

где Z_др — полное сопротивление дросселя (Ом);

I_п.дв — пусковой ток электродвигателя (А);

(?U_др.? 30%(U_ф) — по табличным данным)

?U_др. = 480 · 0,09 = 44 (В);

Определим падение напряжения? U_дв. на двигателе по формуле:

2) ?U_дв. = U_ф — ?U_др., (33)

Где U_ф — фазное напряжение (В).

?U_дв.? 70% (U_ф)

?U_дв. = 220 — 44 = 176 (В);

3) Определяем критическое скольжение S_кр. и критический (максимальный) момент М_кр. электродвигателя с применением дросселя. [9]

Определяем максимальный момент М_кр. по формуле:

М_кр. = ,

М_кр. = = 272,6 (Нм).

Из расчётов видно, что без дросселя М_кр. электродвигателя был равен М_кр. =801,72 (Нм), а после того как дроссель был включен в цепь статораэлектродвигателя М_кр. = 372,6 (Нм), значит данный дроссель обеспечиваетпусковой момент электродвигателя вдвое меньший какой нам и необходим. Находим критическое скольжение S_кр. электродвигателя по формуле:

Рис. 12. Пусковая диаграмма без применения дросселя

S_кр. = ;

S_кр. = = = 0,196

Таким образом, видно, что критическое скольжение до применения и после применения дросселя не изменилось.

4) Используя формулу Клосса рассчитаем основные параметры для построения пусковой диаграммы. 3,15J

М_п =, (35)

Где? = 0,953;

М_кр. = 372,6 (Нм)

S_кр. = 0,196;

Подставляя значения М_кр., S_кр. в уравнение (35) и задаваясь различными значениями скольжения S, можно сосчитать текущие координаты пускового момента М_п.

Расчётные данные сводим в таблицу 2.4.3.

Момент сопротивления механизма (компрессора) остаётся неизменным М_с.ком. = 182,7 (Нм);

Таблица 2.4.3

Данные для построения искусственной механической характеристики

Для определения необходимых нам параметров произведем следующие графические построения:

* Графически вычитаем характеристики и строим кривую динамического момента М_дин. = М — Мс;

* Кривая динамического момента делится на ряд участков, на каждом из которых момент предполагается равным среднему значению;

* Затем по графику определяем? щ_i; для каждого участка и рассчитываем М_дин.ср.

* Определяем приращение скорости? t и строим временную характеристику пуска (с дросселя в цепи статора электродвигателя);

* Определяем средний динамический момент;

* Рассчитываем приращение времени на каждом участке;

* Общий момент инерции остаётся неизменным:

J_У= 0,206 кгм² [15,16]

Расчётные данные сводим в таблицу 2.4.4.

Таблица 2.4.4

Расчётные данные для построения характеристик

4) Рассчитываем приращение времени на каждом участке по формуле (30):

?t_i, = 0,206 · = 0,04 с.

5) Определяем время пуска компрессора t_п (с дросселем)

t_п = 0,24? 0,25 с.

6) По расчётным данным строим характеристику щ = f (t_п) рис. 13.

дроссельный электропривод компрессорный электроснабжение Рис. 13 Пусковая диаграмма с применением дросселя

3. Расчёт механических характеристик электропривода

3.1 Диаграмма нагрузки Привод компрессора всегда сопровождается наличием статического момента, который изменяется по гармоническому закону. [3]

При изменении статического момента по закону;

М_с = M_o + M_сA · SIN · v · t (36)

выражение для момента двигателя будет выглядеть так;

М = М_ср + · SIN (v · t — arctg · v · B),

где М_cр. = M_о;

v — скорость поступательного движения;

В — электромеханическая постоянная;

Определив момент сопротивления механизма М_с, приравниваем значение среднего момента к моменту холостого хода, то есть М_ср. = М_о.

Зная скорость поступательного движения v можно определить угол поворота рабочего вала (кривошипа) д по формуле:

д = v · t, (37)

где t — текущая координата времени;

Дале определяем величину равную отношению амплитудного статического момента и среднего момента ч.

ч = М_сА/ М_ср,