Энергосберегающие режимы работы мелиоративных насосных агрегатов с разработкой автоматизированной системы управления
На правах рукописи
Дидыч Виктор Александрович
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ
МЕЛИОРАТИВНЫХ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ С РАЗРАБОТКОЙ
АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование
в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Краснодар, 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»
(ФГБОУ ВПО «Кубанский ГАУ)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Оськин Сергей Владимирович
Официальные оппоненты: Григораш Олег Владимирович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электротехники, теплотехники и возоб новляемых источников энергии» ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет»
Лебедев Константин Николаевич кандидат технических наук, доцент кафедры «Ин формационные технологии и управляющие системы»
ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия»
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учрежде ние «Управление «Кубаньмелиоводхоз»
(г. Краснодар)
Защита состоится «29» ноября 2013 в 1400 часов на заседании диссертаци онного совета Д 220.038.08 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аг рарный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13, КубГАУ, главный учебный корпус, ауд.106.
Автореферат разослан «28» октября 2013 г. и размещен на официальном сай те ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak2.ed.gov.ru/ и на сайте ФГБОУ ВПО Кубанского ГАУ http://kubsau.ru/
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук В. С. Курасов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время в России осушается 4788, тыс. га. земель, используемых для нужд сельского хозяйства. В рамках Государ ственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сель скохозяйственной продукции, сырья и продовольствия к первому уровню приори тетов государственной политики в сфере развития производственного потенциала относится мелиорация земель сельскохозяйственного назначения, введение в обо рот неиспользуемой пашни и других категорий сельскохозяйственных угодий.
В мелиоративной системе Краснодарского края 77 крупных насосных стан ции, которые относятся к наиболее энергопотребляемому оборудованию. Про блема повышения энергетической эффективности работы таких станций является очень актуальной.
Вопросам повышения энергоэффективности функционирования электропри вода насосных агрегатов занимались такие ученые как: Соколов М.М., Юньков М.Г., Онищенко Г.Б., Николаев В.Г., Емельянов А.П., Васильев Б.Ю., Ильинский Н.Ф., Муравлев О.П., Гоппе Г.Г. и др.
Совершенствованием станций управления асинхронными электроприводами насосных агрегатов занимались Лебедев К. Н., Комелин А.В., Матыцин Д.В и др.
Улучшением эксплуатационных характеристик преобразователей частоты занимались Григораш О.В., Глинкин М. Е., Трубецкой В. А., Дарьенков А. Б. и др.
Несмотря на большое количество способов и средств регулирования произ водительности мелиоративных насосов, они продолжают работают в неоптималь ном режиме с точки зрения энергоэффективности.
Работа выполнена в рамках плана НИР Кубанского ГАУ по госбюджетной тематике 2006 – 2010 гг. (ГР 01.2.00606851), 2011 – 2015 гг. (ГР 01.2.01153641) и технического задания департамента сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края на 2011 – 2012 гг. (№32 – 2011) на выпол нение научно – исследовательской работы «Разработка научно обоснованных ме тодов и программного комплекса оптимизации работы электроустановок на сель скохозяйственных предприятиях Краснодарского края».
Научная гипотеза – при комплексном анализе работы всех составляющих электропривода и насосного агрегата: турбомеханизм, электродвигатель, преобра зователь частоты, система разворота лопастей – можно получить зону оптималь ных режимов работы данной электроустановки.
Цель работы – теоретическое обоснование оптимальных режимов работы мелиоративных насосных агрегатов с разработкой автоматизированной системы управления для реализации энергосберегающих алгоритмов регулирования про изводительности.
Задачи исследования:
1. Получить целевую функцию оптимизации режимов работы электропри вода и насосного агрегата.
2. Установить функциональные зависимости КПД от режимных параметров для основных элементов рассматриваемой системы «электропривод - насосный агрегат».
3. Разработать математические модели КПД электропривода и насосного агрегата с учетом и без учета магистрали и определить оптимальный режим для обоих случаев.
4. Установить рациональный способ управления для частотного преобразо вателя.
5. Подтвердить теоретические исследования с использованием фактических данных, полученных на конкретной насосной станции, и с помощью компьютер ного моделирования.
6. Разработать функциональную схему и алгоритм работы системы управ ления мелиоративной насосной станцией.
7. Определить изменение энергетической эффективности насосной станции и экономический эффект от внедрения предлагаемых мероприятий.
Объект исследования – способы регулирования производительности насосных агрегатов, электропривода насосных агрегатов, насосные станции, уровни воды в аванкамере и напорном бассейне.
Предмет исследований – закономерности изменения КПД, характеристики и параметры составляющих элементов электропривода насосного агрегата.
Методики исследования методы системного анализа, математического и – компьютерного моделирования, элементы математической статистики. Модели рование производилось с помощью программного комплекса MatLAB.
Научная новизна работы:
– целевая функция оптимизации режима работы, связывающая коэффициент полезного действия системы «электропривод – насосный агрегат» с КПД отдель ных его элементов и их параметрами, что позволяет установить оптимальные зна чения частоты вращения, угла разворота лопастей рабочего колеса насоса;
– математическая модель системы «электропривод – насосный агрегат» без учета КПД магистрали, на основе ее анализа установлено, что максимум всех КПД элементов системы лежат в интервале по относительной производительно сти от 0,8 до 1,2;
также определено – при относительной частоте тока, равной 0,8, КПД агрегата держится более стабильно при различном угле разворота лопастей;
– математическая модель системы «электропривод – насосный агрегат» с учетом КПД магистрали, из данной модели установлено, что при относительном статическом напоре, близком к единице, уменьшение частоты тока вызывает уменьшение КПД, а при относительном статическом напоре менее 0,8 – увеличе ние КПД;
– оптимальные соотношения параметров комбинированного способа регули рования производительности насосного агрегата, для поддержания максимально возможного КПД системы «электропривод–насосный агрегат» при различных статических напорах.
Практическая ценность результатов исследования.
1.Установлено преимущество векторного управления частотного преобразо вателя при малых относительных статических напорах, так при Нст = 0,3 и одина ковых значениях частоты и угла разворота со скалярным управлением можно по лучить КПД агрегата на уровне 0,5, а с векторным управлением до 0,63.
2.Разработаны компьютерные модели системы «насосный агрегат без регу лирования производительности – электропривод» и «насосный агрегат с регули рованием производительности – электропривод» в среде SIMULINK, позволяю щие задавать различные режимы работы, изменять параметры двигателя, насоса, частотного преобразователя, угол установки лопастей рабочего колеса.
3. Разработана функциональная схема автоматизированного управления насосной станции, построенная по идеологии распределенной системы (DCS), позволяющей реализовывать энергоэффективный алгоритм управления насосны ми агрегатами.
4. Разработана компьютерная программа по определению наиболее энер гоэффективного режима работы электропривода насосного агрегата.
На защиту выносятся следующие положения:
– целевая функция оптимизации режима работы, связывающая коэффициент полезного действия системы «электропривод – насосный агрегат» с КПД отдель ных его элементов и их параметрами;
– математические модели системы «электропривод – насосный агрегат» без учета и с учетом КПД магистрали;
– рекомендуемые способы регулирования КПД насосного агрегата;
– компьютерные модели системы «электропривод – насосный агрегат»;
– сопоставление теоретических и экспериментальных данных по КПД си стемы;
– функциональная схема системы автоматизированного управления насос ной станцией;
– расчет энергетической и экономической эффективности насосной стан ции.
Реализация и внедрение результатов исследований.
Исследования проводились при участии ФГБУ «Управление «Кубаньме лиоводхоз», результаты использовались для внедрения при реконструкции насос ных станций. Основные положения научных исследований включены в научно исследовательскую работу по теме: «Разработка научно обоснованных методов и программного комплекса оптимизации работы электроустановок на сельскохо зяйственных предприятиях Краснодарского края», выполненную согласно техни ческому заданию департамента сельского хозяйства и перерабатывающей про мышленности Краснодарского края на 2011 – 2012 гг. №32-2011. Результаты научных исследований применяются в учебном процессе на кафедре «Электриче ские машины и электропривод» в Кубанском ГАУ (г. Краснодар) при изучении дисциплин «Автоматизированные системы управления технологическими про цессами» и «Автоматизированный электропривод».
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсужда лись на IV всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Науч ное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, 2011г.);
73 межвузов ской конференции «Университетская наука – региону» (г. Ставрополь, 2009 г.);
еже годных конференциях молодых ученых Кубанского ГАУ (г. Краснодар, 2008-13 гг.).
Публикация результатов работы.
Основные результаты исследований опубликованы в 9 печатных работах, включая 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 монографию, 4 свидетель ства о государственной регистрации программ для ЭВМ. Общий объем публика ций составляет 7,74 печатных листа, из них личный вклад автора 3,44 печатных листа.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, списка использованных источников, включающего наименований, в том числе 3 на иностранном языке и приложения. Диссертация изложена на 168 страницах машинописного текста, включая 51 страницу прило жения, содержит 32 рисунка, 17 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследований, сформулирована цель работы, научная новизна, практическая значимость и представлены основные по ложения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены состояние и перспективы развития мелиора тивной системы Краснодарского края, способы регулирования производительно сти насосных агрегатов, проанализированы энергетические параметры насосной станции.
Мелиоративная система – устройство на осушаемой или осушаемой и оро шаемой территории, защищенной от затопления паводковыми (речными) или морскими водами. Мелиоративные системы устраивают на морских побережьях, в дельтах, в поймах рек, в условиях, когда уровень воды в водоприемнике находит ся выше или на уровне гипсометрических отметок мелиорируемой территории.
Показатели наличия осушенных земель и состояние осушительных систем в России приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Показатели наличия осушенных земель и состояние осуши тельных систем в России на 01.01.2012 г.
Общая в том числе площадь, на которой требуется, тыс. га площадь № культур– ремонт проведение Федеральные осушаемых рекон– химические п/п технические дренажной мониторинг округа земель, тыс. струкция мелиорации работы сети а земель га Центральный 1. 1395,6 366,0 264,7 243,2 586,0 1395, Южный – 2. 54,6 14,5 5,5 3,8 54, Северо– – 3. 18,1 4,8 1,8 1,3 18, Кавказский Приволжский 4. 431,9 113,0 27,7 13,5 55,7 431, Уральский 5. 151,1 50,1 11,0 21,5 6,1 151, Сибирский 6. 228,1 84,0 41,6 28,2 20,3 228, Дальневосточ 7. 661,4 221,9 120,2 80,1 278,3 661, ный Северо– 8. 1847,6 378,3 235,3 288,3 802,7 1847, Западный Всего по Российской 9. 4788,4 1232,1 700,5 682,1 1754,2 4788, Федерации К настоящему времени мелиоративно-водохозяйственный комплекс Красно дарского края включает:
– четыре крупных противопаводково-ирригационных водохранилища (Крас нодарское, Шапсугское, Крюковское, Варнавинское) и ряд более мелких;
– Федоровский и вододелительный Тиховский гидроузлы;
– противопаводковую систему обвалования рек протяженностью более 700 км;
– крупные коллекторы, обеспечивающие сброс вод из нескольких районов края (Афипский коллектор, Крюковский сбросной канал, Варнавинский сбросной канал, Джерелиевский главный коллектор и др.);
– концевые сбросные сооружения и 77 крупных насосных станций;
– сотни километров мелких (хозяйственного значения) дренажно-сбросных каналов.
При эксплуатации мелиоративных систем основная часть затрат на электро энергию приходится на насосные станции. Структура затрат при эксплуатации насосной станции показана на рисунке 1.
Рисунок 1 – Структура затрат на эксплуатацию насосных станций Как видно из рисунка, основные затраты на эксплуатацию насосных стан ций приходятся на оплату потребленной электроэнергии, поэтому основным ре зервом снижения стоимости подъема воды является повышение энергетической эффективности насосных агрегатов.
В ходе исследований были проанализированы способы регулирования по дачи лопастных насосов. Анализ энергетических параметров мелиоративной насосной станции №7 Понуро-Калининской оросительной системы на основании многолетних статистических данных и результатов измерений показал: реальный средний КПД станции ср = 46,5%, что значительно ниже проектного - ном = 80%.
Во второй главе на основе энергетической диаграммы электропривода и насосного агрегата получена целевая функция оптимизации режима работы, свя зывающая коэффициент полезного действия агрегата с КПД отдельных его эле ментов и их параметрами.
Потери в пре- Потери в элек- Потери в турбомеха образователе тродвигателе низме Ртм частоты Рпч Рдв Электроэнергия Преобразован ная электро- механическая энергия энергия Преобразова- Электриче- Турбомеха ский двига- низм (насос) тель частоты тель Подача воды Расход воды Магистраль Потери в магистрали Рм Рисунок 2 – Энергетическая диаграмма насосного агрегата В соответствии с энергетической диаграммой (рисунок 2), при передаче энер гии от электрической сети к жидкости, движущейся к потребителям, происходят потери в четырех основных элементах: преобразователе частоты Рпч, электродви гателе Рдв, турбомеханизме Ртм, магистрали Рм. Энергоэффективность такой системы можно оценить по такому показателю как коэффициент полезного дей ствия (КПД). В каждом элементе данной системы КПД зависит от многих пара метров, которые следует изучить и оценить их влияние на значение этого показа теля. Так КПД преобразователя частоты пч будет зависеть от конструктивных параметров kn, частоты тока на выходе f, нагрузке, создаваемой электродвигате лем I (пч =f(kn, f, I)). В свою очередь КПД электродвигателя зависит от парамет ров самой электрической машины (сопротивлений обмоток, схемы обмотки ста тора, характеристик стали магнитопровода и т.д.) Rm;
нагрузки, создаваемой насо сом I;
частоты тока, подаваемой на обмотку статора f (эд =f(Rm, f, I). Что касается турбомеханизма, то на его КПД будет оказывать влияние частота вращения рабо чего вала n, угол разворота лопастей, производительность Q и напор H (тм = f(n;
Q;
H;
));
от характеристики магистрали – производительность Qм, статиче ский напор Hст и скоростной напор H – будет зависеть ее КПД (м =f(Qм;
Hст;
H)). Анализ КПД отдельных элементов и общего КПД системы позволит найти оп тимальные параметры системы и определить энергосберегающие режимы работы:
пч f (k n ;
f ;
I ) f ( R ;
f ;
I ) эд m ТМ f (n;
Q;
H ;
). (1) М f (Qм ;
H ст ;
H ) Таким образом, через общий КПД агрегата можно выразить целевую функ цию оптимизации:
аг пч эд ТМ М мах (2) Для того, чтобы получить максимум КПД агрегата, необходимо исследовать энергетические показатели отдельных составляющих рассматриваемой системы.
При работе с электродвигателем у частотного преобразователя наблюда ются потери энергии, которые зависят от электрической нагрузки и выходной ча стоты тока. В работах Гоппе Г.Г. были получены зависимости КПД частотного преобразователя (ПЧ) от выходной частоты и нагрузки. На основе этих зависимо стей нами получены графики изменения КПД устройства при изменении отно сительной частоты тока (fi /fн =f* ), с учетом изменения нагрузки (связано с зако ном регулирования для данного механизма), и аппроксимированы кривыми.
Таким образом, в дальнейшем анализе можно использовать следующую формулу для определения КПД преобразователя частоты:
пч 0,76( f * ) 2 1,326 f * 0,383, (3) * где f – относительное изменение частоты тока на выходе преобразователя, f f*.
fн На мелиоративных насосных станциях для привода насосных агрегатов обычно используются асинхронные электродвигатели. Анализ энергопотребления двигателя можно вести на основе схемы замещения асинхронного электродвига теля и упрощенной векторной диаграммы (рисунок 3).
r1 x1 Х2/ U r2//s I0 E2/ I1 / -I2 I E2/ Iоа Iор U r0 -I2/ x I Iоа Iор Рисунок 3 – Схема замещения и векторная диаграмма асинхронной машины На основании схемы замещения и векторной диаграммы (рисунок 3) было полу чено следующее выражение для определения активной мощности потребляемой из сети:
P1 Pэм 3( I 1 r1 I oa r0 ) 2 r (r r ) 2 r r s r r M 0 1 2 1 0 1 2 2 1, (4) х0 s r0 s r r M – момент на валу электродвигателя;
0 – синхронная угловая скорость;
где r1, r2, r0 – активные сопротивления соответственно статора, ротора и ветви намагничивания;
x1, x2, x0 – индуктивные сопротивления соответственно статора, ротора и ветви намагничивания;
I0a – активная составляющая тока холостого хода;
U1 – напряжение на статорной обмотке;
I1 – ток статора;
Е2 – приведенная ЭДС ротора;
Рэм – электромагнитная мощность.
Определен коэффициент полезного действия электродвигателя:
Р1 Р 1 s эд. (5) Р1 r2 (r1 r0 ) 2 r1 r1 s r2 r 1 r0 s х0 s r0 r Как видно из формулы (5), КПД электродвигателя зависит от сопротивлений об моток статора и ротора, а также от скольжения и частоты тока питающей сети.
На рисунке 4 изображена графическая поверхность и сечение зависимости КПД электродвигателя от частоты тока и скольжения.
Рисунок 4 – Поверхность и сечение зависимости КПД от частоты тока при различной нагрузке Известно, что характеристики КПД лопастных насосов от производительно сти могут быть аппроксимированы параболой вида:
DQ 2 EQ F (6) Анализ QH– характеристик насосов типа ОПВ показал, что зависимость КПД от производительности следует аппроксимировать кубической зависимостью, что позволяет выражение (6) представить в виде:
* 5,27( q* )3 11,72( q* )2 7,9q* 2,45 (7) q q* где q* – относительное изменение производительности qн.
В соответствии с выведенными выражениями получена следующая формула для определения КПД насоса при изменении угла разворота лопастей и частоты тока:
0,449 * 1,25 f * 0,25 4 1,71 * 1,25 f * 0,25 max 2,101 1,25 f 0,25 0,881 1,25 f 0,25 1, * * * * 5,27(q* )3 11,72(q* ) 2 7,9q* 2,45 (8) где * – изменение относительного угла разворота лопастей рабочего колеса * н.
При транспортировании воды по магистрали также возникают потери энер гии, связанные со скоростным напором и преодолением статического напора.
Выражение для КПД трубопроводной магистрали имеет вид:
k (q * ) 2 H *ст м, (9) k m (q * ) 2 H *ст где kv – коэффициент скоростного напора, можно принимать от 0,01 до 0,03;
km – коэффициент напорной характеристики магистрали;
H*ст – изменение относи H ст тельного статического напора H ст * Hн.
Относительно изменения угла разворота лопастей и частоты тока электро двигателя формула (9) принимает вид:
k * (1,25 f * 0,25) H *cm м. (10) (1 H *ст ) * (1,25 f * 0,25) H *ст Проанализируем математическую модель системы «электропривод – насос ный агрегат» первоначально без учета КПД магистрали. На основе полученных отдельных зависимостей КПД от параметров составляющих элементов можно представить следующую систему уравнений:
пч 0,76( f * ) 2 1,326 f * 0, 1 s эд r2 (r1 r0 ) 2 r1 r1 s r2 r 1 х 2 s r0 s r0 r 0,449 1,25 f 0,25 1,71 1,25 f 0, 4 * * * * max ТМ 2,101 * 1,25 f * 0,25 0,881 * 1,25 f * 0,25 1, 5,27(q * ) 3 11,72(q * ) 2 7,9q * 2, (11) Целевая функция принимает вид:
0,76( f ) 1,326 f * 0,383 (1 sн q * ) max Аf Bq * аг.
r2 (r1 r0 ) 2 r1 r1 s н q * r2 r 1 2 4 2 ( f * ) 2 f н L2 sн q * 3 r0 sн q * r0 r2 (12) На основе полученных ранее уравнений запишем систему для насосного аг регата с магистралью:
пч 0,76( f * ) 2 1,326 f * 0, 1 s эд r2 (r1 r0 ) 2 r1 r1 s r2 r 1 х 2 s r0 s r0 r2 0,449 * 1,25 f * 0,25 4 1,71 * 1,25 f * 0,25 ТМ max 2,101 1,25 f 0,25 0,881 1,25 f 0,25 1,034 (13) * * * * 5,27(q ) 11,72(q ) 7,9q 2, *3 *2 * k (1,25 f 0,25) H cm * * * м (1 H * ) * (1,25 f * 0,25) 2 H * ст ст КПД системы «электропривод – насосный агрегат» с магистралью можно вы разить следующей функцией:
0,76( f ) 1,326 f * 0,383 (1 s) max Аf Bq k * (1,25 f * 0,25) H * cm * аг r (r r ) 2 r r s (14) r2 r 1 (1 H ст ) (1,25 f 0,25) H ст * * * * 21 0 1 4 2 ( f * ) 2 f 2 L2 s r0 s r r2 н На рисунках 5 – 6 приведены поверхности и соответствующие сечения зави симостей КПД агрегата от частоты тока и угла разворота лопастей при различных значениях относительного статического напора и векторном управлении (функ ция поддержания постоянного скольжения).
Рисунок 5 – Поверхность и сечение зависимости КПД агрегата от частоты тока и угла разворота лопастей (векторное управление) при Нст * = 0, Рисунок 6 – Поверхность и сечение зависимости КПД агрегата от частоты тока и угла разворота лопастей (векторное управление) при Нст *=0, На основе анализа поверхностей на рисунках 5 – 6 можно выделить зоны оп тимальных режимов работы при различных статических напорах (векторное управление) – таблица 2.
Таблица 2 – Значение оптимальных параметров агрегата при изменении от носительного статического напора (векторное управление) * Относительное значение статического напора, Нст Относительные значения оптимальных параметров (уровень возможного КПД агрегата) 0,95 (0,75) 0,8 (0,75) 0,5 (0,6) 0,3 (0,6) Угол разворота лопастей, * 0,8 – 1,25 0,3 – 0,55 0,3 – 0,35 0,3 – 0, Частота тока, f* 0,85 – 0,93 0,75 – 0,95 0,65 – 0,85 0,4 – 0, На рисунках 7 – 8 приведены поверхности и соответствующие сечения зави симостей КПД агрегата от частоты тока и угла разворота лопастей при различных значениях относительного статического напора и векторном управлении (функ ция поддержания постоянного скольжения). Значения оптимальных параметров агрегата при изменении относительного статического напора при скалярном управлении приведены в таблице 3.
Рисунок 7 – Поверхность и сечение зависимости КПД агрегата от частоты тока (скалярное управление) и угла разворота лопастей при Нст * = 0, Рисунок 8 – Поверхность и сечение зависимости КПД агрегата от частоты тока (скалярное управление) и угла разворота лопастей при Нст *=0, Таблица 3 – Значение оптимальных параметров агрегата при изменении относительного статического напора (скалярное управление) Относительное значение статического напора, Нст* Относительные значения оптимальных параметров (уровень возможного КПД агрегата) 0,95 (0,74) 0,8 (0,68) 0,5 (0,65) 0,3 (0,6) Угол разворота лопастей, * 0,8 – 1,2 0,45 – 0,85 0,8 – 1,1 0,2 – 0, 0,85 – 1,0 0,8 – 1,0 0,2 – 0,3 0,85 – 1, Частота тока, f* В четвертой главе для проверки адекватности математических моделей было проведено компьютерное моделирование. Структурная схема компьютерной модели представления на рисунке 9. В качестве входного воздействия использо вались реальные статические напоры и уровень воды в аванкамере.
Ua Преобразование из Эл. магнитный преоб U Подсистема Преобразователь многофазной эл.
Ub разователь формирования машины к частоты U двухфазной напряжения Uc Ua Преобразование из Измеритель двухфазной Ub тока эл. машины к мно- I I Uc гофазной Эл. магнитный преоб разователь График изменения Регулятор статического напора Характер истика разворот -9° М Характеристика разворот -6° Характеристика разворот -3° Механический преоб Насос селектор Мc w_el разователь Характеристика разворот 0° Характеристика разворот 3° Характеристика разворот 6° Рисунок 9 – Структурная схема компьютерной модели Результаты моделирования приведены на рисунке 10, а реальные КПД си стемы приведены на рисунке 11.
КПД дни Рисунок 10 – Результаты моделирования КПД насосного агрегата при Среднее значение колебаниях фактического статического напора КПД КПД агрегата без ре гулирования составил ср = 47%.При этом среднеквадратическое отклонение графика изменения вычислен дни ного по реальным данным КПД соста вило 2 = 0.106.
Рисунок 11 – КПД насосного агрегата при колебаниях статического напора, рассчитанный по фактическим данным Коэффициент корреляции двух графиков КПД (рисунок 10-11) составил R =0.67.
КПД насосного агрегата с учетом регулирования частоты вращения (век торное управление) и разворота лопастей при колебаниях статического напора показан на рисунке. Среднее значение КПД составило ср = 58%.
КПД 0, 0, 0, 0, 0, дни 0, Рисунок 12 - КПД насосного агрегата с учетом регулирования частоты вращения (векторное управление) и разворота лопастей при колебаниях статического напора Нами была разработана структура автоматизированной системы управления, способная реализовывать полученный закон оптимального управления.
Для удешевления системы применяется каскадное управление частотой вращения группы насосов, то есть преобразователь имеет свою параллельную распределительную шину.
В результате моделирования КПД насосной станции при изменении стати ческого напора (рисунок 12), экономия электроэнергии составила 2 457 тыс.
кВтч.
В пятой главе определены показатели экономической эффективности от внедрения автоматизированной системы управления производительностью насос ных агрегатов мелиоративной насосной станции. Расчет проводился в сравнении с базовым годом. В затраты включены работы по восстановлению устройств разво рота лопастей рабочего колеса насосного агрегата, стоимость оборудования и монтажа. Экономическая эффективность определялась согласно прогнозных цен на электроэнергию.
При внедрении системы потребуется вложить 16,23 млн руб. Чистый дис контированный доход составит 8,31 млн. руб., срок окупаемости капитальных вложений - 2,2 года.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. На основе энергетической диаграммы системы «электропривод – насосный агрегат» получена целевая функция оптимизации режима работы, связывающая коэффициент полезного действия системы с КПД е отдельных элементов, что позволяет установить оптимальные параметры работы насосного агрегата – ча стоту вращения, угол разворота лопастей.
2. Разработана математическая модель системы «электропривод – насосный агрегат» без учета КПД магистрали, анализ которой показал, что до относитель ной частоты тока равной 0,4, КПД электродвигателя изменяется незначительно и не рекомендуется изменение частоты тока менее 20 Гц. Установлено, что макси мум всех КПД элементов системы лежит в интервале по относительной произво дительности от 0,8 до 1,2, и угол разворота не сильно влияет на КПД системы, а при относительной частоте тока равной 0,8 – КПД системы «электропривод – насосный агрегат» держится более стабильно при различном развороте лопастей рабочего колеса насоса.
3. Получена математическая модель системы «электропривод – насосный аг регат» с учетом КПД магистрали. Установлено следующее: при относительном статическом напоре, близком к единице, уменьшение частоты тока вызывает уменьшение КПД, а при относительном статическом напоре менее 0,8 – увеличе ние КПД. Из двух способов регулирования КПД агрегата, большее значение КПД можно получить при малых статических напорах путем разворота лопастей, например, при статическом напоре, равном 0,4, максимальный КПД системы «электропривод – насосный агрегат» достигается: при изменении частоты – 0,42;
при изменении угла разворота – 0,62. Доказано преимущество комбинированного способа управления – разворотом лопастей и изменением частоты тока.
4. Установлено преимущество векторного управления частотного преобразо вателя при малых относительных статических напорах, так при Нст = 0,3 и одина ковых значениях частоты и угла разворота со скалярным управлением можно по лучить КПД системы «электропривод – насосный агрегат» на уровне 0,5, а с век торным управлением – до 0,63.
5. Разработаны компьютерные модели системы «электропривод – насосный агрегат без регулирования производительности» и «электропривод – насосный аг регат с регулированием производительности» в среде SIMULINK, позволяющие задавать различные режимы работы, изменять параметры двигателя, насоса, ча стотного преобразователя, угол установки лопастей рабочего колеса.
6. Используя фактические трехлетние данные статических напоров мелиоратив ной насосной станции №7 Понуро-Калининской оросительной системы и компьютер ной модели, получены данные по изменению КПД насосной станции при различных режимах работы и количество потребленной электроэнергии. Сопоставление теорети ческих и экспериментальных данных по КПД показало следующее: теоретически рас считанное значение КПД составило 47%, значение КПД, вычисленное по эксперимен тальным данным 51%, относительная погрешность по среднему значению не превыси ла 4,7%, при этом среднеквадратическое отклонение составило по теоретическим дан ным 0,1, по экспериментальным данным – 0,03, коэффициент корреляции теоретиче ского и экспериментального графика – 0,67. При моделировании комбинированного способа регулирования производительности, среднее значение КПД составило 58%.
7. Разработана функциональная схема автоматизированного управления насосной станцией, построенная по идеологии распределенной системы (DCS), позволяющей реализовывать энергоэффективный алгоритм управления.
8. Произведен расчет энергетической и экономической эффективности насосной станции, так при объеме капиталовложений 16 230 000 руб., ЧДД соста вил 8 310 655 руб.
Основные положения диссертационной работы опубликованы - в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Дидыч В.А. Повышение надежности защиты электронасосных агрегатов от обрыва фаз / С.В. Оськин, А.Ф. Кроневальд, В.А. Дидыч // Механизация и электрификация сельского хозяйства – 2009. – №4 – С. 27-28.
2. Дидыч В.А. Повышение эффективности насосных агрегатов в системах мелиорации и орошения / С.В. Оськин, В.А. Дидыч // Механизация и электрифи кация сельского хозяйства – 2011. – №6. – С. 23- 3. Дидыч В.А. Пути энергосбережения в насосных установках системы ме лиорации и орошения / В.А. Дидыч // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс] Краснодар: КубГАУ, 2011. - №05(69). – Режим доступа http://ej.kubagro.ru/ 2011/05/pdf/07.pdf.
- в монографии 4. Научно-обоснованные рекомендации повышения энергоэффективности насосных станций / В.А. Дидыч, С.В. Оськин, А.С. Оськина, М.И. Потешин. – Краснодар: КубГАУ, 2013. – 82 с.
- в прочих изданиях:
5. Дидыч В.А. Пути снижения энергопотребления в рисоводстве / В.А. Ди дыч // Университетская наука – региону. - Ставрополь: СтГАУ., 2009. – С. 39-43.
6.Дидыч В.А. Влияние качества работы насосных установок осушения на экологическую ситуацию подтопляемых земель Калининского района / В.А. Ди дыч, М.Н. Карпов // Наука. Идеи и решения №1, Краснодар: КубГАУ, 2010, с. 82.
7. Дидыч В.А. Способы повышения энергоэффективности осевых насосных агрегатов мелиоративных насосных станций / В.А. Дидыч // Материалы IV Все российской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обес печение агропромышленного комплекса», Краснодар: КубГАУ, 2011, С. 47- 8. Дидыч В.А. Способы повышения энергоэффективности осевых насосных агрегатов мелиоративных насосных станций / В.А. Дидыч, // Университет. Наука.
Идеи и решения №2, Краснодар: КубГАУ, 2011, С. 29-31.
9. Дидыч В.А. Энергосбережение в насосных установках системы мелиора ции и орошения / С.В. Оськин, В.А. Дидыч // Известия академии электротехниче ских наук №2, М.: «Янус-К», 2011,. С. 55-59.
10. Свид. РФ №201361613. OptimalDrive / В.А. Дидыч, Я.А. Ильченко, С.М.
Моргун, С.В. Оськин, М.И. Потешин.;
заявитель и патентообладатель КубГАУ. № 2013613839 заявл. 07.05.2013;
опубл. 26.07.2013.
11. Свид. РФ №2013616080. Расчет потерь в линиях 0,22 кВ, НН, СН1, СН2.
/ В.А. Дидыч, Я.А. Ильченко, С.М. Моргун, С.В. Оськин, М.И. Потешин.;
заяви тель и патентообладатель КубГАУ. - № 2013613846 заявл. 07.05.2013;
опубл.
26.06.2013.
Формат 60841/16.
Подписано в печать 25.10.2013.
Бумага офсетная Офсетная печать Печ. л. 1. Заказ № Тираж 100 экз.
Отпечатано в типографии Кубанского ГАУ 350044, Краснодар, ул. Калинина, 13.