Электропривод вентиляционной установки. 3

 

Содержание:

 

Введение………………………………………………………………………..2

Описание технологической  и кинематической схем установки……............4

Расчет механических нагрузок и построение нагрузочной диаграммы 

двигателя…………………………………………………………………….…7

Выбор типа электродвигателя…………………………………………….….12

Расчет и построение механической характеристики рабочей машины. 

Проверка выбранного электродвигателя по перегрузочной способности…14

Определение приведённого к  валу двигателя момент инерции 

рабочей машины……………………………………………………………….16

Расчет и построение механической характеристики электродвигателя.

Определение времени пуска  и торможения электропривода……………….17

Проверка выбранного электродвигателя по тепловому режиму при работе

и при пуске……………………………………………………………………...20

Определение Активной и реактивной мощности, потребляемые из сети

двигателем или агрегатом  в целом и cosφ……………………………………22

Принципиальная и  монтажная  электрические схемы управления электроприводом……………………………………………………………….24

Выбор аппаратуры управления и защиты…………………………………….26

Расчет показателей надежности……………………………………………….28

Заключение……………………………………………………………………...31

Список литературы……………………………………………………………..32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Проблема и актуальность данной работы заключаются в том, что внастоящее время в России наблюдается тенденция к реконструкции старых хранилищ и приспособлению других зданий (складов, ферм, котельных) к хранилищам. Реконструкция таких зданий часто является компромиссом. Во многих случаях из-за ограничения по высоте здания невозможно оптимально использовать площадь хранилища. Удельный объем хранения на 1 кв. м. на 20-25 % ниже, чем у новых хранилищ, строительство которых достаточно дорого. Из-за больших затрат на строительство многие заказчики ищут варианты удешевления проектов. К сожалению, они часто экономят на технологическом оборудовании, что приводит к неоправданным потерям.

Целью создания вентиляционного и холодильного оборудования является достижение оптимального микроклимата хранилищ, обеспечивающего сохранение качества хранимой продукции до оптимального времени сбыта. Поэтому при проектировании хранилищ всегда необходимо исходить из продукта - его назначения, количества, размера партий, нормы и графиков отгрузки.  
Успех хранения при этом не зависит от размера хранилища. Эффективное хранение с автоматизированным управлением возможно при объеме от 50 тонн картофеля, овощей, фруктов и выше. Верхней границы теоретически нет. Сегодня не являются редкостью комплексные хранилища объемом до 10 000 тонн. Отдельные помещения такого комплекса могут быть выполнены в различных вариантах.

Принудительная вентиляция обеспечивает наиболее равномерное  распределение воздуха по продукту, позволяет использовать для вентилирования внешний воздух, либо смешивает его  с воздухом из хранилища в зависимости  от требуемой температуры и влажности  внутри помещения.

При хранении картофеля и  фруктово-овощной продукции в  специализированных помещениях для  охлаждения используют либо внешний  воздух, либо внутренний проходящий через  испарители холодильной установки. При этом объем поступающего в  хранилище воздуха в различные  периоды хранения зависит: от вида продукции; от герметичности воздушных каналов  и самого помещения; от разности между  заданной температурой хранения продукции  и ее фактического значения. По статистике метеорологической службы среднесуточная влажность воздуха в дождливый  день составляет 80-85%, вол время туманов 95-99%, а в ясную погоду не превышает 70%. Поэтому использование внешнего сухого воздуха для вентиляции продукции, находящейся на хранении, приводит к невосполнимым потерям влаги  и уменьшения массы продукта вследствие усушки. При использовании холодильных  установок процесс потери влаги  протекает более интенсивно из-за ее конденсации на испарителях. По многочисленным исследованиям, проведенным в ряде отечественных и зарубежных научных  учреждениях, реальные потери массы  яблок за 8 месяцев при использовании наружного воздуха для охлаждения продукции составляют от 15 до 20%. Кроме потери веса,  усушка продукции после длительного хранения приводит к ухудшению ее товарного вида и потерям вкусовых качеств.

Актуальность работы состоит  в том, что правильно подобранные системы вентилирования обеспечивают высокий уровень сохранности картофеля, фруктов и овощей за счет интенсивного использования сотовых и центробежных увлажнителей, установленных на входе и внутри магистрального канала (вентиляционной шахты), откуда воздух распределяется по всему хранилищу. Сотовый увлажнитель позволяет производить охлаждение воздушного потока на 1,5-2 ºС, если влажность входящего воздуха имеет значение ниже 99%.

         Научная новизна состоит в  том, что управление режимами хранение производит компьютер, программа которого адаптирована для обеспечения сохранности различного вида продукции, предусматривает использование нескольких режимов хранения, учитывает практически все возможные параметры (температура, влажность, содержание  СО2 и т.п.), которые могут повлиять на изменение качества продукта для того, чтобы своевременно произвести корректировку режима вентиляции.Для подачи воздуха в хранилище используются осевые вентиляторы, которые обеспечивают поток большого объёма воздуха при статическом давлении 130 – 350 Па.

Таким образом, практика использования хранилищ,  с правильно рассчитанной системой вентиляции, показала, что их использование не только снижает потери веса продукции из-за выноса влаги и сохраняет качество продукции, но также позволяет экономить электроэнергию и создавать более равномерную нагрузку на электрические сети за счет применения частотных регуляторов.

 

1. Описание технологической и кинематической схемы

Кинематическая схема  вентиляционной установки

1 – двигатель  2-вентиляционный диск

Так как речь идет о вентиляции складов и хранилищ сельскохозяйственной продукции, то такие здания оборудуются  механической приточной и естественной вытяжной системами вентиляции. Приточная вентиляция подает на склад внешний воздух непосредственно в места хранения сельхозпродукции. Вытяжная вентиляция склада выводит использованный воздух из всего помещения через вытяжные воздуховоды, которые располагаются в пространстве над кровлей и устроены в виде вентиляционных шахт. Этот процесс представлен на рисунке 1.

Рис.1Общеобменная система вентиляции контейнерного хранилища с подачей приточного воздуха «снизу-вверх».

  1. вытяжная шахта;
  2. штабель
  3. подпольный распределительный воздуховод;
  4. подпольный магистральный воздуховод;

Рис.2Система вентиляции с распределительными каналами.

Хранилище контейнерного  типа с подземными воздухораспределительными  каналами более детально изображено на рисунках 2 и 3. Это один из самых  удобных вариантов массового  хранения яблок. Его преимущества - в оптимальном использовании  площади хранилища и удобстве при механизированной закладке и  выгрузке продукции.

Рис.3 Общая схема хранилища

Воздушный, температурный  и влажностный режим в хранилище  поддерживается за счет изменения частоты  вращения вентиляторов и количества включенных секций калорифера. Работу вентилятора регулировать за счет изменения  частоты вращения электродвигателей, получающих питание от тиристорного регулятора напряжения. Датчиками температуры  и влажности являются терморезистор  и психрометр на терморезисторах.

 

 

Рисунок 4. Структурная схема ЭП

 

Таблица 1. Исходные данные.

Продукт хранения

Емкость хранилища, т

Яблоки

2000

Расход воздуха на 1 тм3/ч

50

Относительная влажность  внутри помещения, %

85

Температура в хранилище  в момент закладки, град. С

20

Температура в период охлаждения в хранилище, град. С

5

Температура в основной период зимнего хранения, град. С

3

Скорость движения воздуха  в воздуховоде, м/с

10


 

Момент инерции вентилятора Jв = 10 Jдв. Момент трогания вентилятора

Мо = 0,15 Мвн. Показатель степени в уравнении механической характеристики х = 2.

 

2. Расчет механических нагрузок и построение нагрузочной диаграммы электродвигателя

 

Производительность одного вентилятора оценивается после  определения общего количества воздуха, необходимого для его подачи в  помещение.

где L – расчетное количество воздуха для технологического процесса;  n – число выбранных вентиляторов.

По исходным данным задана  , технологический целесообразно установить 5 вентиляторов в хранилище объемом 3000 (объем находится, исходя из того, что средняя плотность яблок и с учетом воздуховодов, мест под шкаф управления микроклиматом ).

 

Выбранный вентилятор должен обеспечивать полный напор:

Динамическая составляющая напора вентилятора определяется:

где ρ – плотность воздуха, кг/м3 (ρ=1,26 при температуре 20 С0);  V – скорость воздуха в воздуховоде вентилятора, м/с .

 

Статическая составляющая напора вентилятора оделяется по формуле

 

где l – длина воздуховода, м;  R – сопротивление воздуховода, Па/м;  Σξ – потери в местных сопротивлениях.

 

где D— диаметр воздуховода; D= 400 мм, γ — удельный вес воздуха;

γ = 11,77 Н/м3

Потери напора в местных  сопротивлениях составляют порядка 10... 12% динамического напора; Σβ = 0,1 = 7,56 Па.

 

 

Мощность  электропривода  вентилятора  определяется из выражения:

где Q – производительность м3/с;  H – полный напор,  ηп – к.п.д. передачи;

ηв – к.п.д. вентилятора (ηв =0,4–0,6 –для крупных, 0,1–0,2 – для мелких);  KЗ – 1,1–1,5 – коэффициент запаса при работе с трубопроводом (большие значения относятся к малым мощностям).

Принимаем ηп  =0.98,  ηв =0.85, KЗ =1.1

 

В соответствии с рассчитанными  параметрами выбираем осевой вентилятор

ВО-14-320-4

 

Вентилятор

Конструктивное исполнение

Двигатель

Частота вращения рабочего колеса, об/мин

Параметры в рабочей  зоне

Масса вентилятора  не более, кг

Типоразмер

Мощность, кВт

Производительность, тыс. м3/час

Полное давление, Па

ВО-14-320-4

1

АИР80А4

1,1

1500

10,4-15,5

230-150

48


 

Габаритные и присоединительные  размеры  ВО-14-320 № 4-6,3

Рис 6.

1 -Корпус вентилятора; 2-Электродвигатель; 3-Рабочее колесо 
4-Крыльчатка охлаждения; 5-Заглушка регулировочного болта (вместо 11); 

6-Регулировочный  болт (вместо 13); 7-Рынболт (вместо 14); 8-Стойка (вместо 8);

 

№ вент.

Размеры, мм

Кол-во лоп.

D

D1

D2

D3

A

B

C

E

H

H1

n

4

400

405

435

460

360

310

320

250

489

250

8

3


Аэродинамическая характеристика вентилятора ВО-14-320 № 4

Рис.7Акустические характеристики, измеренные со стороны нагнетания на номинальном режиме работы вентиляторов ВЦ 4-75

№ вент.

n,мин-1

Значение Lpl, дБ в октавных полосах f,Гц

Lpa,дБА

125

250

500

1000

2000

4000

8000

4

1320

70

67

72

71

68

62

54

75


 

Исходя из типа вентилятора,  выбирается электродвигатель АИР80А4, так как нагрузка постоянная, то Рн³ Р.

Синхронная частота вращения 1500 об/мин

Тип двигателя

Рн,

кВт

cosφ

ηн, %

Sн

Mmax/Мн

Mп/

Мн

 

Mmin/Мн

 

 

Iп/Iн

J, кгм2

Масса, кг

АИР80А4

1,1

75

0,81

7

2,2

2,2

1,6

5,5

0,0032

9,9


 

Двигатель имеет следующие заявленные показатели надежности: 
1. вероятность безотказной работы за 20000 ч наработки — не менее 0,9; 
2. установленный ресурс между операциями восстановления (замена подшипников и обмотки) - не менее 20000 ч; 
3.установленный срок службы до списания — не менее 15 лет, но не более 45000 ч; 
4. средний срок службы до капитального ремонта — не менее 10 лет, но не более 20000 ч.

 

Для построения нагрузочной  диаграммы необходимо определить следующие  величины:

Номинальный момент двигателей

 

 

Величина среднего пускового момента двигателей

 

 

 

Величина тормозного момента

 

 

При работе вентиляторов  электропривод имеет постоянный момент сопротивления:

 

где Q - производительность вентилятора, м3/с; Н - напор (давление) газа, Па; ηВ= 0,4 ... 0,85 - КПД вентилятора; ωв - скорость вентилятора, рад/с; kЗ = 1,1... 1,5 - коэффициент запаса.

Принимаем ηi  =0.98,  ηв =0.85,  KЗ =1.1

 

В зависимости от времени  года время работы вентиляционной установки будет разное. Расчетные часы взяты без учета аномальных колебаний температуры.

                                                                                      Таблица 2.1

Обозначение

вентилятора

Количество

Скорость

Режим

Время работы за год, час

Потребляемая мощность одним вентилятором, кВт

ВО-14-320 № 4

5

1500

Закладка

336

1.1

Охлаждение

1440

Длительное хранение

4320


 

 

Учет температур взят средний для всех времен года Центральной полосы России. Средняя температура в хранилище 9 ˚С.

 

 

Рис.8Среднегодовой график температуры.

 

Рис. 9 Нагрузочная характеристика ЭП вентилятора.

 

3. Выбор типа электродвигателя

Методика выбора мощности электродвигателя зависит от характера  нагрузки (постоянная, переменная, случайная) и режима работы (длительный, кратковременный, повторно–кратковременный и т.д.).

Для машин, работающих  с  длительной постоянной нагрузкой, мощность определяется на основании соотношения  Рн³ Р.

По каталогу выбирается двигатель, ближайший по стандартной шкале. Выбранный двигатель проверяется  по условиям пуска.

Исходя из требований технологического процесса, то есть в отсутствии необходимости  плавного регулирования угловой  скорости электропривода в широком  диапазоне, следует отдать предпочтение асинхронному двигателю переменного тока. Так как наибольшее распространение получила трех фазная сеть переменного тока частотой 50 Гц с линейным напряжением 380 В, поэтому принимаем к установке трех фазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, с номинальным напряжением обмотки статора 380 В.

В   настоящее   время   основной      серией   асинхронных     двигателей,

выпускаемой промышленностью, является серия АИ. Двигатели малоймощности  этой серии изготавливаются на синхронные частоты вращения 3000,1500, 1000 и 750 об/мин. По своим показателям она превосходит  серию 4А: имеет меньшие массогабаритные  показатели (на 10 − 15%) и лучшиехарактеристики. Коэффициент полезного действия и cosϕ у машин этой серии1 − 1,5 % выше, чем у машин серии 4А.

      При изготовлении  машин этой серии применяется  механизированнаяукладка обмоток,  что позволяет уменьшить длину  лобовых частей на 20 % исократить  расход обмоточного провода на 10%. Для обеспечения высокойнадежности  обмотки все двигатели имеют  изоляцию класса нагревостойкости Fпри расчетном нагреве обмоток,  соответствующем классу В.

 

Исходя из выбора вентилятора, подбирается электродвигатель. Для  технологического процесса хранения овощей и фруктов подбирается электродвигатель АИР80А4.

Синхронная частота вращения 1500 об/мин

Тип двигателя

Рн,

кВт

cosφ

ηн, %

Sн

Mmax/Мн

Mп/

Мн

 

Mmin/Мн

 

 

Iп/Iн

J, кгм2

Масса, кг

АИР80А4

1,1

75

0,81

7

2,2

2,2

1,6

5,5

0,0032

9,9


Максимальные потери в  приводе вентилятора:

 

 

 

 

где Мн— номинальный момент двигателя, Н·м; ωоиωн—угловая синхронная н номинальная скорости вращения приводного двигателя; ω0 = 157 рад/с; ωн = 155,4 рад/с.

 

 

 

Относительные максимальные потери:

 

 

 

 

Мощность электродвигателя, рассчитанного на длительный режим работы, определяется с учетом коэффициентов тепловой и механической перегрузки.

Коэффициент тепловой перегрузки определяется по формуле

,

 

где tр – время работы, мин;

Тн – постоянная времени нагрева электродвигателя, мин., предварительно принимается равной 20 мин.

Коэффициент механической перегрузки электродвигателя

 

,

где α – коэффициент  потерь, α = (0,5 – 0,7).

 

Расчетная мощность Рр, Вт, электродвигателя определяется по формуле

Рр³

1100=1100

Выбранная мощность электродвигателей удовлетворяет условию нагрева и перегрузочной способности двигателя.

 

4. Расчет и построение механической характеристики рабочей машины. Проверка  выбранного электродвигателя по перегрузочной способности.

 

Номинальная частота вращения определяется по формуле

 

 

Номинальный,пусковой (кратность пускового момента принимаем 2.2), минимальный и максимальный моменты электродвигателя определяются по формулам

 

 

 

 

 

 

 

 

Момент статического сопротивления  на валу электродвигателя Мс, Нм равен:

 

где Мс – момент сопротивления механизма при угловой скорости ωм Нм;

Мо=0.15 Мвн– момент сопротивления механизма, не зависящий от угловой скорости (момент трогания), Нм;  Мсг – момент сопротивления при номинальной угловой скорости, Нм;  ωд – текущее значение угловой скорости вала рабочей машины, с–1;  ωмн – номинальная угловая скорость вала рабочей машины, с–1;  х – показатель степени характеризующий изменение статического момента от угловой скорости, для электропривода вентилятора принимаем равным 2. Тогда из уравнения следует:

 

Номинальный момент статического сопротивления Мсн, Нм, определяется по формуле

 

.

Минимальный избыточный момент, необходимый для пуска электродвигателя, принимается равным 0,2Мсн, тогда

 

Возможность пуска электродвигателя при снижении питающего напряжения на 20% проверяется по условию

 

= 8.12

8.12

 

Таким образомэлектродвигатель АИР80А4, выбранный в пункте 2 запуститься даже при снижении питающего напряжения на 20%.

 

5. Определение приведенного  к валу двигателя момента инерции  рабочей машины 

Приведенный к валу электродвигателя момент инерции системы J кг∙м2, определяется по формуле

 

где  - момент инерции двигателя, 0,003 кг/м2;

- момент инерции рабочей  машины, кг/м2

= =10*0,003=0,03кг/м2

== кг/м2

Вывод.

Таким образом момент инерции  создаваемый на валу двигателя будет  равен  = кг/м2.

 

6. Рассчитать и построить механическую характеристику электродвигателя. Определить фактическое и допустимое число пусков привода в час.

 

Механическая характеристика машины представляет собой зависимость  между моментом сопротивления, т. е. Mс(ω), и в общем случае описывается уравнением:

 

где — момент трогания механизма;

 — момент сопротивлении при номинальной угловой скорости;

х — показатель степени.

Для вентиляторов показатель степени х =2.

Момент трогания насосов, вентиляторов и дробилки ориентировочно можно принять . Номинальный момент сопротивления определяется, исходя из анализа усилий, возникающих в механизме при его работе, из пункта 4 примем .

 

 

 

Таблица 6.1

 

0

40

80

100

120

140

157

Мс

1.4

1.72

2.68

3.4

4.28

5.32

6.32


 

Механическая характеристика электродвигателя (ω) рассчитывается по формуле Клосса:

 

где s – текущее скольжение;

q– параметр.

Критическое скольжение, соответствующее  максимальному вращающему моменту  электродвигателя, может быть принято  по каталожным данным электродвигателя или определено по формуле:

 

 

 

где– коэффициент, равный отношению кратности максимального и кратности пускового моментов:

 

 

 

Номинальное скольжение электродвигателя

 

 

Параметр q может быть определен  по соотношению

 

 

Для построения механической характеристики электродвигателя М(ω) пересчитывается скольжение на угловую скорость ω, в каждой точке по формуле

.



Рис. 10 Совместный график механических характеристик двигателя вентилятора

ω(M) и ω (Mс).

 

Точка пересечения графиков момента двигателяω(M)   и момента сопротивленияω(Mс)является рабочей.

Время пуска двигателя  и время торможения :

 

 

 

Вывод.

Масса лопастей вентилятора мала по сравнению с массой ротора АД, поэтому при запуске(ω = 0) ω(M) и ω (Mс)разнятся.Mс(ω) имеет характер приближенный к прямой за счет конструктивных особенностей вентилятора.

Время пуска и время  торможения двигателя будут  приблизительно равны вследствие малой нагрузки и момента сопротивления.

 

7. Проверка выбранного электродвигателя по тепловому режиму при работе и при пуске

При продолжительном и  повторно–кратковременном режиме работы мощность выбранного двигателя по условиям нагревания можно проверить по соотношению

 

Где

 

где – фиктивная пусковая мощность, Рп = Рнiп, кВт;

 

Как видно из нагрузочной характеристики рис. 9 , весной и осенью вентиляция включается 4 раза в день, но с разной величиной   , летом – более продолжительная вентиляция и пять раз в день, зимой – два раза в день и очень маленькое. В общем случае для вентиляции хранилищ яблок принимают такую схему вентиляции: круглосуточно в начале и конце периода хранения в течение 3-х месяцев, остальное время по 12-14 часов в сутки. Поскольку в настоящее время существует более сложная реализация вентиляции с помощью управления микропроцессором, то последовательность расчета будет более сложная.

Так как время между  остановкой и запуском вентиляционной установки велико ,то производиться расчет будет только по времени работы :

 

В таком случае .

Допустим что весной  с , тогда:

 

 

 

Летом  с.:

 

 

Осенью  с.:

 

Зимой с.:

 

 

Коэффициент тепловой перегрузки в зависимости от времени работы определяется по формуле

,

 

где tр – время работы, мин;

Тн – постоянная времени нагрева электродвигателя, мин., предварительно принимается равной 20 мин.

Коэффициент механической перегрузки электродвигателя

 

,

где α – коэффициент  потерь, α = (0,5 – 0,7).

 при  , весной, летом, осенью и зимой будет равен 1.

Постоянная времени Тн рассчитывается по формуле

 

 

где m – масса выбранного электродвигателя, АИР80А4- 10 кг;

nн – номинальное превышение температуры обмотки статора электродвигателя. Для класса изоляции B –vн=80.