Файл: Глава 25.doc

25.2.4. Автоматизация турбомеханизмов

При использовании нерегулируемых приводов используется автоматический пуск и остановка механизма с целью поддержания определенных заданных параметров, например, уровня воды в баке при работе насоса на водонапорную башню.

При использовании регулируемых приводов решается задача поддержания определенного значения технологического параметра, например, напора или расхода при изменяющихся параметрах гидравлической сети, изменение расхода жидкости или газа с целью оптимизации технологического процесса.

Схема автоматизации первого вида приведена в [4-12]. В качестве примера второго вида автоматизации рассмотрим схему автоматического управления электроприводом дутьевого вентилятора энергетического котла, работающего на газе.

Функциональная схема электропривода дутьевого вентилятора по системе ПЧ-АД приведена на рис.25.9.

П

Рис.25.9. Функциональная схема электропривода дутьевого вентилятора по системе ПЧ-АД.

ривод состоит из преоб-разователя частотыUZ, асин-хронного короткозамкнутого электродвигателя М, системы уп-равления СУ, в которую входит задатчик интенсивности, интегральный операционный усили-тель ИУ и датчик содержания кислорода ДК в отходящих газах.

Отличительной особенностью схемы является то, что она не замкнута по скорости, а имеет отрицательную обратную связь по технологическому параметру, в данном случае по содержанию избыточного кислорода. Так как требуемое количество воздуха для оптимального горения газа зависит от многих факторов (подача газа, химического состава газа, количества кислорода в воздухе), то управление скоростью осуществляется по двум каналам. Основное задание на скорость двигателя дутьевого вентилятора подается в зависимости от подачи газа, а корректировка скорости (т.е. подачи воздуха) с помощью отрицательной обратной связи по избыточному кислороду.

Для моделирования электромеханической системы с целью определения параметров регуляторов может быть использована структурная схема рис.25.10.

Структурная схема состоит из упрощенной схемы электродвигателя с преобразователем частоты, структурной схемы вентилятора и воздушного тракта обратной связи по избытку кислорода. Задание на подачу воздуха Q_в подается в зависимости от подачи газа. Возмущающим воздействием является изменение состава отходящих газов. Реакция горения обозначена пропорциональным звеном, на выходе которого определяется избыточное количество кислорода. Замер и передача информации о количественном содержании кислорода подается с запаздыванием на 20-30мин и может быть представлены апериодическим звеном. Разница между напряжением, пропорциональным заданному значению избыточного кислорода, и фактическим значением через И-регулятор подается для коррекции подачи воздуха. При регулировании скорости в функции одной переменной, как правило, выбирается ПИД- или ПИ-регулятор.

---

25.3. Электропривод механизмов непрерывного действия с нагрузкой, зависящей от положения рабочего органа

Нагрузка электроприводов механизмов непрерывного действия может носить детерминированный или случайный характер. К механизмам с детерминированной нагрузкой относятся поршневые компрессоры и насосы, прессы, ковочные машины и т.д. Случайный характер нагрузки имеют шаровые мельницы, камнедробилки и другие подобные машины.

Здесь будут рассмотрены электроприводы с детерминированной переменной нагрузкой позиционного (насосы, компрессо-ры) и ударного (прессы, ковочные машины) типов. Под нагрузкой позиционного типа будем понимать нагрузку на валу двигателя, зависящую от угла поворота кривошипа. Общее у них – наличие кривошипно-шатунного механизма. Отличительной чертой является характер и периодичность приложения нагрузки.

---

25.3.1. Электропривод механизмов с нагрузкой позиционного типа

М

в)

еханизмами позиционного типа являются поршневые компрессоры, насосы (рис.25.11а). Они состоят из цилиндра 1, в котором движется поршень 2, приводимый в действие кривошипно-шатунным механизмом 3. На другом конце цилиндра размещены всасывающий 4 и нагнетательный 5 клапаны.

Мощность поршневых компрессоров, насосов определяется по так называемой индикаторной диаграмме, под которой понимается зависимость давления Р_д от объема под поршнем V. На

рис.25.11б показана индикаторная диаграмма для одноступенчатого компрессора. На участке 4-1 при перемещении поршня вправо происходит расширение оставшегося в мертвом пространстве V_o газа, давление которого снижается с уровня Р_д2 до уровня Р_д1. В точке 1’ открывается всасывающий клапан 4 (рис.25.11а), и при дальнейшем увеличении объема от V₁ до V₂ происходит всасывание газа при давлении, несколько меньшем Р_д1, вследствие потерь на прохождение газа через всасывающий канал. В точке 2 поршень начинает двигаться влево, всасывающий клапан закрывается, и начинается такт сжатия (участок 2-3), который сопровождается выделением теплоты. Часть выделившейся теплоты отводится в систему охлаждения компрессора, поэтому процесс сжатия газа является политропическим, промежуточным между изотермическим (сжатие при постоянной температуре) и адиабатическим (тепло не отводится в окружающую среду) процессами. В точке 3’ открывается нагнетающий клапан 5, соединяющий цилиндр с ресивером-акку-мулятором сжатого до давления Р_д2 газа. Происходит выталкивание газа с давлением, несколько большим Р_д2, что обусловлено сопротивлением движения газа через нагнетательный клапан и патрубок. В точке 4 цикл заканчивается.

Площадь, ограниченная индикаторной диаграммой, характеризует работу А_инд за цикл. Удельная работа за цикл

Дж/м³

---

где: V_p=V₂-V₁ - объем газа, всасываемого за цикл при давлении Р_д=Р_д1; Р_д.инд - среднее индикаторное давление за цикл.

Средняя за цикл мощность определяется выражением:

кВт (25.15)

где: Q - подача компрессора, м³/с, приведенная к давлению Р_д=Р_д1; - индикаторный кпд компрессора, учитывающий потери мощности при реальном процессе сжатия газа, равный 0,6...0,8.

Так как теоретическая индикаторная диаграмма существенно отличается от действительной, а получение последней не всегда возможно, то при определении мощности на валу компрессора часто пользуются приближенной формулой, где исходными данными является удельная работа изотермического и адиабатического сжатия.

(25.16)

где: А_и, А_а - изотермическая и адиабатическая работа сжатия 1м³ атмосферного воздуха давлением Па до требуемогоР_д2, Дж/ м³; - кпд механической передачи;К_з - коэффициент запаса, учитывающий неподдающиеся расчету факторы, равный 1,05...1,15.

Значения в зависимости отР_д2 приведены в таблице 25.2.

Таблица 25.2

, Па	3	4	5	6	7	8	9	10
, Дж/м3	132	164	190	213	230	245	260	272

---

Поршневые насосы перекачивают жидкость, которая практически не сжимается, поэтому его индикаторная диаграмма имеет вид, показанный на рис.25.11в.

Мощность на валу двигателя определяется по формуле:

(25.17)

где: Q - производительность насоса, м³/с; Н_ст - статический напор, определяемый как сумма высот всасывания h_в и нагнетания h_н, м; ΔН - потеря напора в трубопроводах насосной установки, м; η_н - кпд насоса, равный 0,7-0,9; η_п - кпд передачи; К_з=1,1…1,3 - коэффициент запаса.

Средняя мощность и момент на валу механизма поршневого типа при постоянном напоре Н связаны со скоростью вращения ω зависимостями:

(25.18)

где: F(м²) и S(м) – площадь и величина хода поршня, т.е. средняя величина момента не зависит от скорости. Мгновенные значения момента (а, следовательно, и мощности) зависят от положения поршня и кривошипно-шатунного механизма, как это следует из уравнений (23.6, 23.7).

П

Рис.25.12. Изменение момента на валу компрессора а – одинарного; б – двойного действия

ри отношении радиуса кривошипа к длине шатуна >1/4 можно в первом приближении принятьМ_кр=F₁Rsinα, т.е. момент носит синусоидальный характер. Изменение момента в течение цикла работы механизма одинар-ного действия представлено на рис.25.12а, а двойного действия – на рис.25.12б. У кривошипных механизмов одинарного действия подача осуществляется только при движении поршня вперед, при обратном ходе подача отсутствует. Механизмы двойного действия осуществляют подачу при движении в обе стороны.

Кривошипно-шатунные механизмы характеризуются неравномерностью нагрузки. Для выравнивания нагрузки на валу таких механизмов устанавливают маховик.

Регулирование подачи поршневого компрессора (насоса) может осуществляться:

• изменением скорости вращения;

• использованием нескольких механизмов с поочередным их включением или выключением;

• изменением объема мертвого пространства;

• отжатием всасывающего клапана при нагнетании.

---