Расчет центробежного насоса водонапорной башни

Министерство  образования РФ 

Вятский государственный  университет 

Факультет автоматики и вычислительной техники 

Кафедра электропривода и  автоматизации промышленных

установок и технологических комплексов 
 
 
 
 
 

Расчетно-пояснительная  записка

к курсовой работе по дисциплине 
 

“Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов” 

задание 1

вариант 5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Шифр 

Выполнил: студент гр.   /  /

Проверил: преподаватель     /  / 
 
 

Киров 2010г.

1. Исходные данные.

                                                1.1 Техническое задание

     Схема подачи воды в водонапорную башню

     1. Максимальная мощность насоса     

     2. Высота бака водонапорной башни    

     3. Длина горизонтальной части водопровода   

     4. Диаметр трубы        

     5. Диапазон регулирования производительности  

     6. Углы поворота водопровода, град    

     7. Высота подъема водопровода над уровнем водоема 

     8. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым  ротором 

     1.2 Технические условия 

1. На пути трубопровода поставлены 2 колена с  поворотами на и , 3 вентиля и одна задвижка.
2. Регулирование производительности:

а) механическое;

б) электрическое

3. При электрическом регулировании использовать асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
4. Сеть переменного тока с напряжением 380В.

     1.3 Содержание работы

     1. Расчетная часть:

        - выбор насоса  для двух вариантов регулирования  производительности

- обоснование  способов электрического регулирования  производительности и выбора принципиальной схемы электропривода

- расчет  и выбор электродвигателя и  элементов силовых цепей

- расчет механических характеристик двигателя, соответствующих максимальной и минимальной производительности насоса

- расчет  графиков переходных процессов  M=f(t), и ω=f(t) при пуске двигателей

- определение расхода электроэнергии (активной и реактивной) и КПД способа регулирования на единицу производительности в заданном диапазоне для двух вариантов регулирования производительности и сравнить их

      2. Графическая часть:

- схема  подачи воды центробежным насосом

- принципиальные  схемы силовых частей сравниваемых  вариантов систем электропривода

- механические  характеристики электроприводов

- графики  переходных процессов

      3. Выводы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      2. Выбор центробежного насоса.

      Для выбора насоса определим характеристику магистрали, подключенной к насосу. Зависимость напора от производительности выражается формулой:

      где - напор магистрали

       =H - геометрическая высота подъема жидкости, м;

       - давление в напорной и всасывающей емкостях, Па;

       - суммарные гидравлические потери в магистрали, м;

       - удельная плотность среды.

      Так как напорная и всасываемая емкости  находятся при атмосферном давлении ( ), формула (2.1) приобретает вид:

      Суммарные гидравлические потери в магистрали будут состоять из гидравлических потерь по длине трубопровода и местных потерь.

      Гидравлические  потери по длине трубопровода определяются по формуле

      Местные потери:

      где - длина трубопровода, м;

      d – внутренний диаметр трубы, м;

      v – средняя скорость движения, ;

       - коэффициент потерь напора (определяется экспериментальным путем, при диаметре трубы 0,2м [взято из методического указания к курсовой работе]);

       - коэффициент местных потерь;

      g – ускорение свободного падения.

      Длина трубопровода рассчитывается по формуле:

      Коэффициент местных потерь:

      где:

       - потери при повороте на угол ;

       - потери при повороте на ;

       - потери в вентиле;

       - потери на задвижке;

      тогда:

      Формулу 2.2 запишем в виде:

      где :

      Максимальный  напор, соответствующий максимальной производительности находим из формулы (2.8),

  Исходя  из максимальной производительности и  максимального напора, выбираем насос

      8М-8x4а

      Характеристики  насоса приведены на рисунке 2.1 

      Рисунок 2.1 

      В насосах при достижении определенных условий может возникнуть явление, называемое кавитацией. Кавитация в насосах сопровождается резким шумом, треском и даже вибрацией насосной установки, при этом падает напор, мощность, подача и КПД. Работа в режиме кавитации недопустима.

      Основным  средством предупреждения кавитации является обеспечение превышения напора на входе в насос над напором, равным давлению насыщенного пара перекачиваемой жидкости. Это превышение и будет кавитационным запасом. Определяется следующим образом:

      где - абсолютное давление на свободную поверхность жидкости в резервуаре, из которого ведется откачивание, Па

       - давление насыщенных паров  перекачиваемой жидкости при  рабочей температуре, Па

       - суммарные потери напора во всасывающем патрубке при максимальной производительности, м

       - геометрическая высота всасывания, м

      Величина  равна расстоянию по вертикали от оси вала насоса до уровня жидкости в резервуаре, из которого её откачивают. она имеет знак «+» при расположении насоса выше уровня жидкости (высота всасывания) и знак «-» при расположении насоса ниже уровня жидкости (подпор). 

      Обычно  , что соответствует наиболее часто встречаемому случаю всасывания воды из открытого водоема при нормальном давлении.

      Тогда выражение 2.8 будет иметь вид:

      Бескавитационный  режим работы обеспечивается при  условии  , где - допускаемый для данного насоса кавитационный запас.

       - суммарные потери напора во всасывающем патрубке при максимальной производительности при ( )

        следовательно выбранный насос удовлетворяет заданным требованиям. 
 
 
 
 
 

      3. Расчет и выбор  электродвигателя  и элементов силовых  цепей.

      Исходными данными для расчета мощности двигателя являются каталожная Q-H характеристика исполнительного механизма (в данном случае насоса) и характеристика магистрали. Характеристика магистрали для насоса строится по формулам (2.1), (2.2)

      Строим  каталожную Q-H характеристику для выбранного нами насоса. Затем с помощью формул пересчета

       - напор и подача произвольной i-й точки на каталожной характеристике;

      строим  Q-H характеристики насоса для произвольных значений частоты вращения , отличных от каталожной точек с номером j. Подбираем такие значения , чтобы полученные характеристики охватывали весь диапазон производительности насоса от минимальных до максимальных значений:

      Точки пересечения магистрали с вновь  построенными Q-H характеристиками определяют рабочие режимы системы “исполнительный механизм-магистраль” для конкретной скорости исполнительного механизма. Мощность на валу исполнительного механизма в рабочих точках определяется как

      где и - напор и подача в точке A;

       - КПД исполнительного механизма  в точке А

         - плотность воды.

      Зная  мощность в точке А  и скорость, при которой она была получена , можно определить момент на валу двигателя

     Для уменьшения момента на валу двигателя, и для увеличения его скорости работы, близкой к номинальной  скорости (а, следовательно, уменьшения потерь на скольжение), установим между  двигателем и насосом редуктор с  передаточным числом u. КПД редуктора как правило не менее 98-99%, поэтому в дальнейших расчетах учитывать его не будем

     Соответственно  изменится диапазон регулирования  скорости на валу двигателя и момент двигателя.

      При регулировании изменением параметров статорной цепи критерием выбора электродвигателя является условие:

      где максимальные потери мощности в обмотке ротора;

           номинальные потери мощности в обмотке ротора (рассчитывается по каталожным данным).

      Выражение (3.4) справедливо в предположении постоянства теплоотдачи и соотношения потерь в статорной и роторной обмотках при изменении скорости. Если, кроме того, отсутствует дополнительный отвод мощности из ротора, т.е. нет добавочных сопротивлений и асинхронный двигатель не включен в каскад, условие может быть записано в виде

      где - максимальная мощность потерь скольжения в заданном диапазоне изменения скорости.

      Зависимость потерь скольжения от скорости механизма при аналитической аппроксимации:

     где - максимальное значение момента;

      - максимальное значение скорости;

       =157 синхронная скорость вращения

     Показатель  степени

      Скорость, соответствующая максимуму потерь, равна

      Максимальные потерь тепла в заданном диапазоне регулирования будут при минимальной скорости

      Зависимость потерь от скольжения в заданном диапазоне  регулирования

      Для выбора двигателя запишем уравнение (3.5) в виде

      Максимальные потери

      где - номинальное скольжение двигателя;

        - номинальный момент двигателя 

      Для расчетов предварительно выберем двигатель и проверим его:

      Синхронная  частота вращения 1500 об/мин

      Проверим  выбранный двигатель

      4АН280M4У3

      Выбранный двигатель удовлетворяет условию (3.7)

       = 154 рад/с

       = 1040

      Критическая скорость  
 
 
 
 
 
 
 
 

      Выбор силовой схемы  и элементов силовой цепи

      По  условию задан асинхронный двигатель  с короткозамкнутым ротором. Диапазон изменения скорости не так велик, поэтому экономически оправдано  будет сделать регулирование скорости изменением напряжения статора. В качестве регулятора напряжения будем использовать тиристорный коммутатор (ТК). Так как изменение скольжения укладывается в диапазон скольжений двигателя, то в данном случае можно не использовать обратную связь по скорости без ухудшения механических характеристик нагрузки, что еще более упростит нашу схему. 

      Силовая схема

      Защиту  данного двигателя от короткого  замыкания, перегрузки, обрыва фазы выполняет выполняет автоматический выключатель. Для его выбора найдем номинальный ток статора

      Нашим условиям соответствует автоматический выключатель А3730Б, Токоограничивающий с полупроводниковыми расцепителями максимального тока.

      Номинальный ток автомата        400А

      Пределы регулирования номинального тока расцепителя  250-400А

      Уставка по току срабатывания      (3-10)1н

      Для выбора тиристоров определим средний ток вентиля и наибольшее обратное напряжение

       - выпрямленная  ЭДС

      Коэффициент запаса по напряжению примем равным 1.6

      Напряжение  на тиристоре будет равно:

      Средний ток вентиля:

       - коэффициент перегрузки по току, равный 3

      нашим условиям удовлетворяет тиристор Т171-320. Данные производителя: 

      Силовые тиристоры Т171-320 выпускаются с  классами по напряжению от 3 до 18 (повторяющееся  импульсное обратное напряжение от 300 до 1800 В)

      Средний прямой ток . . . . . 320 А

      Ударный прямой ток . . . . . 8500 А

      Повторяющийся импульсный обратный ток . . . . . 30 мА

      Импульсное  напряжение в открытом состоянии. . . . . 1,60 В

      Отпирающее  постоянное напряжение управления . . . . . 3,5 В

      Отпирающий  постоянный ток управления . . . . . 200 мА

      Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии .  . . 320 А/мкс

      Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии . . . . . 20 - 1000 В/мкс 

      Недостатком данного регулирования является довольно большое выделение потерь скольжения при снижении скорости самого двигателя. Эти потери вызывают дополнительный нагрев двигателя, из-за чего приходится брать двигатель большей мощности. Для частичного уменьшения потерь в данном курсовом проекте был использован редуктор, что позволило значительно снизить тепловые потери в двигателе, а соответственно увеличить КПД механизма. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      4. Расчет механического способа регулирования производительности 

      Расчет  характеристики магистрали

     Механический  способ регулирования производительности основан на изменении результирующего сопротивления магистрали, путем введения различных задвижек. При неизменной скорости рабочая точка механизма перемещается по естественной Q – H характеристике в сторону снижения производительности до точки пересечения с новой характеристикой магистрали. При этом часть напора DН_р теряется на регулирующем устройстве.