Transcript prezentacja_2013_04_30 Współpraca pomp z ich napędami przy

ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Współpraca pomp z ich
napędami przy różnych stanach
pracy
dr inż. Jan Szymczyk
dr inż. Jacek Szymczyk
Zakład Pomp, Napędów i Siłowni
ITC PW
30.04.2013
1
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Cel:
przedstawienie zjawisk oraz
zmienności głównych
parametrów opisujących pracę
zespołu silnik-pompa na
podstawie wybranych wyników
badań w różnych stanach pracy
2
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Plan prezentacji:
- opis możliwych stanów pracy pomp,
- przedstawienie wybranych wyników pomiarów
pomp,
- przedstawienie i omówienie współpracy
zespołu silnik-pompa,
- omówienie układów zasilania i jego specyfiki
- podsumowanie.
3
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Możliwe stany pracy zespołów pompowych
obroty: n > 0 (prawe)
przepływ: Q > 0
wysokość podnoszenia: H > 0
przepływ mocy: silnik -> pompa
nq  n
Q
4
H3
4
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Możliwe stany pracy zespołów pompowych
Q H n M rodzaj pracy
+
+
+ +
(A) - normalna praca pompowa
-
+
-
(C) - normalna praca turbinowa
-
+
+ +
(B) - praca pompy z odwrotnym kierunkiem
przepływu
-
+
-
-
(D) - rozpraszanie energii przy przepływie jak w
odwrotnej pompie
+
-
-
-
(F) - rozpraszanie energii przy przepływie jak w
odwrotnej turbinie
+
+
-
-
(E) - „odwrotna pompa”
+
-
-
+
(G) - „odwrotna turbina”
+
-
+ +
+
(H) - rozpraszanie energii przy przepływie
pompowym
5
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Charakterystyki pomp dla różnych wyróżników szybkobieżności:
H/Hn
wymiarowe
bezwymiarowe
P/Pn
η/ηn
6
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Możliwe stany pracy – uzasadnienie tworzenia charakterystyk
Wybrane przykładowe sytuacje awaryjne (dynamika):
•
•
•
•
•
rozruch pompy w normalnym stanie pracy (obszar A),
zanik napięcia zasilania lub awaria silnika pompy pracującej szeregowo z inną
pompą (przejście z obszaru – A do G),
zanik napięcia zasilania lub awaria silnika pompy pracującej równolegle bez
zaworu zwrotnego (przejście z obszaru A przez B do C),
rozruch pompy od przepływu wstecznego do pracy normalnej (przejście z
obszaru C poprzez B do A),
wyraźny (nagły) wzrost ciśnienia w górnym zbiorniku w sytuacji, gdy Hst>0.
7
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Charakterystyki uniwersalne
(krzywe Sutera)
m
h
WM  2
WH  2
2
 q
  q2
gdzie:
tg 
q

Q
H
M
n
q
; h
; m
; 
Qopt
H opt
M opt
nopt
Zalety metody:
• łatwy do obróbki zestaw danych w postaci dwóch ciągłych
funkcji,
• zdefiniowane i skończone wartości WH i WM w pobliżu zera i
brak kłopotów numerycznych w tych miejscach,
• łatwy sposób porównywania kilku pomp na jednym wykresie.
8
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Krzywe Sutera:
tg 
q

WH 
h
m
WM

 2  q2
 2  q2
9
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Wpływ wyróżnika szybkobieżności
W trakcie badań przebadano trzy pompy:
5KAN25 (nq = 11), NHV50-250 (nq = 14) i opracowano obszerne wyniki
pomiarów pompy 100PJM25 (nq = 24).
10
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Stanowisko pomiarowe
1. pompa badana
2. silnik prądu stałego lub asynchroniczny
3. zbiornik wyrównawczy
4. pompa zasilająca
5. silnik asynchroniczny
6. przemiennik częstotliwości
7. pomiar ciśnienia ssania
8. pomiar ciśnienia tłoczenia
9. przepływomierz
10. momentomierz
11. zestaw grzałek
12. zbiornik pomocniczy
11
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Wyniki częściowe WH pompy nq = 11
3
2,5
2
1,5
1
WH
WH
WH 5KAN25
0,5
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
-0,5
-1
-1,5
teta [stopnie]
12
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Wyniki częściowe WM pompy nq = 11
1
0,5
0
WM
0
50
100
150
200
250
300
350
400
WM
-0,5
WM 5KAN25
-1
-1,5
-2
teta [stopnie]
13
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Wyniki częściowe H(Q) pompy nq = 14
H(Q), cztery obszary pracy dla n = 2000 obr/min
60,00
50,00
40,00
H [m]
praca pompowa (A)
30,00
przepływ wsteczny (B)
praca turbinowa (C)
pompa odwrotna (E)
20,00
10,00
0,00
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
3
Q [m /h]
14
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Wyniki częściowe M(Q) pompy nq = 14
M(Q), cztery obszary pracy dla n = 2000 obr/min
60
50
40
M [Nm]
30
praca pompowa (A)
przepływ wsteczny (B)
20
praca turbinowa (C)
pompa odwrotna (E)
10
0
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
-10
Q [m3/h]
15
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Wyniki częściowe M(Q) pompy nq = 14
Pompa i pompa odwrotna

η(Q), cztery obszary pracy dla n = 2000 obr/min
80,00
Phydr
Pmech
Praca turbinowa
70,00

60,00
50,00
Pmech
Phydr
40,00
praca pompowa (A)
H [m]
30,00
przepływ wsteczny (B)
20,00
praca turbinowa (C)
10,00

pompa odwrotna (E)
0,00
-80
-60
-40
-20-10,00 0
Przepływ wsteczny
20
40
60
Phydr
Pmech
10
80
-20,00
-30,00
Q [m3/h]
16
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego
Charakterystyka „miękka”
Charakterystyka „sztywna”
ηs1 = 0,9; n1 = 1410 obr/min
ηs2 = 0,935; n2 = 1450 obr/min
Pmech1 = 2 kW
Pmech2 = Pmech1·(n2/n1)3 = 2,17 kW
Pel1 = Pmech1/ηs1 = 2,2 kW
Pel2 = Pmech/ηs2 = 2,33 kW
M
M
n
n1
ns = 1500
obr/min
n
n1 ns = 1500
obr/min
17
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego
Można wyróżnić 4
podstawowe obszary pracy
silnika
M
odwrotna turbina,
praca prądnicowa
obszar (G)
napęd pompy
obszar (A)
2
(+n, +M)
1
pompa odwrotna,
praca silnikowa,
obszar (E)
pompa jako turbina
praca prądnicowa,
obszar (C)
(-n, +M)
ns
ns
n
(-n, -M)
(+n, -M)
obszary pracy stabilnej
18
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Układ zasilania
Schemat
falownika
19
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Układ zasilania
U(f), stan jałowy
U [v]
500
400
300
200
100
0
0
10
20
30
f [Hz]
40
50
n [obr/min], stan jałowy
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
60
Zasada regulacji falownika
U/f ≈ 7 V/Hz = const.
Częstotliwość kluczowania 3,6 kHz.
Zastosowanie silnika asynchronicznego
o częstotliwości znamionowej f = 60 Hz w
porównaniu z silnikiem asynchronicznym
f’ = 50 Hz umożliwia:
• zwiększenie maksymalnego natężenia
przepływu Q o ok. 20%,
• zwiększenie maksymalnej wysokości
podnoszenia H o ok. 44%,
• zwiększenie maksymalnej mocy
przekazanej cieczy P o ok. 70%.
20
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Układ zasilania
Oscylogramy wyjściowe
f = 4 Hz
Oscylogramy wejściowe
f = 50 Hz
21
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Układ zasilania
Prąd zasilający f = 10 Hz
Prąd zasilający f = 50 Hz
22
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Układ zasilania – prąd rezystora hamowania
23
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Charakterystyki silnika
Praca pompowa
160
Q=0
Q=Qmax
140
n = 1200 obr/min
n = 1800 obr/min
120
n = 2000 obr/min
M [Nm]
100
n = 2400 obr/min
n = 3000 obr/min
80
n = 3585 obr/min = nmax
Q = Qmax
60
40
Q=0
20
0
0
1000
2000
3000
4000
n [obr/min]
24
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Charakterystyki silnika
Praca turbinowa
25
20
Q = Qmax
15
M [Nm]
10
5
0
-2000 -1800 -1600 -1400 -1200 -1000 -800
-600
-400
-200
0
-5
Q=0
-10
-15
n [obr/min]
25
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Charakterystyki silnika
Praca jako pompa odwrotna
n [obr/min]
0
-2000 -1800 -1600 -1400 -1200 -1000 -800
-600
-400
-200
0
-5
Q=0
-15
Q = Qmax
M [Nm]
-10
-20
-25
-30
-35
26
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Podsumowanie
1. Warto rozszerzyć obszar badań o pompy o innych wyróżnikach
szybkobieżności (wyraźnie wyższych od 25).
2. Na maksymalne wartości otrzymanych wyników (natężenia
przepływu, moce i momenty mechaniczne na wale) mocny wpływ
mają straty hydrauliczne w instalacji. Prosta zmiana eliminująca
zbędne przewężenie i dwa kolana 90 stopni pozwoliła na
zwiększenie natężenia przepływu prawie o 50%.
3. Wpływ harmonicznych na otrzymywane wartości mocy, napięcia i
natężenia jest bardzo znaczny. Zależnie od zastosowanego
urządzenia pomiarowego uzyskuje się wyniki, które różnić się mogą
nawet o kilkanaście %.
4. Niemożliwy był wiarygodny pomiar mocy odbieranej w chopperze
miernikiem standardowym. Konieczne w takim przypadku jest
zastosowanie wyspecjalizowanego osylografu.
27
ZAKŁAD POMP, NAPĘDÓW I SIŁOWNI
Dziękujemy za uwagę
28