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

Cel: przedstawienie zjawisk oraz zmienności głównych parametrów opisujących pracę zespołu silnik-pompa na podstawie wybranych wyników badań w różnych stanach pracy

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.

Możliwe stany pracy zespołów pompowych obroty: n > 0 (prawe) przepływ: Q > 0 wysokość podnoszenia: H > 0 przepływ mocy: silnik -> pompa

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

Charakterystyki pomp dla różnych wyróżników szybkobieżności: H/Hn wymiarowe bezwymiarowe P/Pn η/ηn

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.

Charakterystyki uniwersalne (krzywe Sutera) gdzie: 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.

Krzywe Sutera:

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).

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

Wyniki częściowe WH pompy nq = 11

Wyniki częściowe WM pompy nq = 11

Wyniki częściowe H(Q) pompy nq = 14

Wyniki częściowe M(Q) pompy nq = 14

Wyniki częściowe M(Q) pompy nq = 14 Pompa i pompa odwrotna Praca turbinowa Przepływ wsteczny

Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego Charakterystyka „miękka” ηs1 = 0,9; n1 = 1410 obr/min Pmech1 = 2 kW Pel1 = Pmech1/ηs1 = 2,2 kW Charakterystyka „sztywna” ηs2 = 0,935; n2 = 1450 obr/min Pmech2 = Pmech1·(n2/n1)3 = 2,17 kW Pel2 = Pmech/ηs2 = 2,33 kW M M n n n1 ns = 1500 obr/min n1 ns = 1500 obr/min

Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego Można wyróżnić 4 podstawowe obszary pracy silnika M napęd pompy obszar (A) 2 odwrotna turbina, praca prądnicowa obszar (G) (+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

Układ zasilania Schemat falownika

Układ zasilania 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%.

Układ zasilania Oscylogramy wyjściowe f = 4 Hz Oscylogramy wejściowe f = 50 Hz

Układ zasilania Prąd zasilający f = 10 Hz Prąd zasilający f = 50 Hz

Układ zasilania – prąd rezystora hamowania

Charakterystyki silnika Praca pompowa Q = Qmax Q = 0

Charakterystyki silnika Praca turbinowa Q = Qmax Q = 0

Charakterystyki silnika Praca jako pompa odwrotna Q = 0 Q = Qmax

Podsumowanie Warto rozszerzyć obszar badań o pompy o innych wyróżnikach szybkobieżności (wyraźnie wyższych od 25). 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%. 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 %. Niemożliwy był wiarygodny pomiar mocy odbieranej w chopperze miernikiem standardowym. Konieczne w takim przypadku jest zastosowanie wyspecjalizowanego osylografu.

Dziękujemy za uwagę