авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 |

«О.Г.МАМЕДОВ НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ПОГРУЖНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ (Монография) Монография ...»

-- [ Страница 3 ] --

Выпускаемые с целью защиты погружных электродвигате лей станции управления и защиты из-за ряда существенных не достатков имеют относительно низкую надежность.

Поэтому встала необходимость определить возможности и пути создания новых систем защиты, учитывающих в реальных условиях все эксплуатационные требования и способствующих значительному повышению срока службы погружных электро двигателей.

Для разработки таких систем защиты необходимо уточнить технические требования к ним. А это требует исследования теп ловых режимов погружных электродвигателей в различных ре жимах работы, учесть специфичность их работы в артезианских скважинах, также условия эксплуатации.

Проведенные исследования наметили также пути дальней шего развития и усовершенствования защитных устройств пог ружных электродвигателей от неполнофазных режимов. Оказа лось, что целесообразными являются не только отключения, но и обеспечение бесперебойной работы погружных электродвига телей при обрыве фаз питающей сети как наиболее частого и опасного аварийного режима [131, 132].

Для осуществления этой цели разработан принципиально новый метод защиты погружных электродвигателей от обрыва фаз и впервые доказана возможность применения защитно-пере ключающего устройства (ЗПУ), основанного на этом методе [26, 156].

4.2. Температурная защита погружных электродвигателей 4.2.1. Общие сведения В условиях сельского хозяйства на современном этапе тре бование к защитным устройствам погружных электродвигателей значительно повысились. Это вызвано в основном по той причи не, что их эксплуатационная надежность в сельском хозяйстве остается все еще низкой. Такое состояние надежности защитных устройств погружных электронасосов сопровождается больши ми экономическими ущербами для хозяйства [7].

Результатами различных исследований и опытами эксплуа тации установлено, что аварийные режимы приводящие к перег реву изоляции обмоток статора погружных электродвигателей оказывают отрицательное влияние на их надежность. Для того, чтобы во всех этих аварийных режимах гарантировать сохран ность погружного электродвигателя, защита должна обладать свойством универсальности. Следует отметить, что значитель ная часть станций управления и защиты, эксплуатируемых в тя желых сельскохозяйственных условиях не выполняют свою за щитную функцию достаточно надежно. Потому, что при этом чувствительность отдельных элементов станций управления к колебаниям параметров окружающей среды (влажности, темпе ратуры, солнечной радиации) со временем приводит к уходу их параметров за допустимые пределы [27, 127…129].

Для восстановления нормального функцирования защитных устройств часто требуется регулировка соответствующих потен циометров или теплового реле, а при необходимости и замена отказавших элементов. Выполнение таких работ требует высо коквалифицированного обслуживающего персонала, а их коли чество в сельском хозяйстве недостаточно.

Кроме того, следует отметить, что из-за преувеличенно жестких требований к защитным характеристикам эти станции управления и защиты имеют относительно сложную конструк цию и следовательно являются недостаточно надежными и до рогими.

Вопросам изучения защиты электродвигателей (в том числе и погружных) в сельскохозяйственном производстве посвящен ряд работ [25, 26, 30, 31, 62, 127, 130, 133, 134, 139].

Анализ указанных работ показывает, что в этих работах нет достаточно полного решения вопросов создания защитных ус тройств погружных электродвигателей, отвечающих следующим основным требованиям: универсальность, стабильность, надеж ность,унифицированность, жесткость характеристики, и т.д.

С учетом вышеизложенных требований необходимо разра ботать более простое, следовательно надежное и дешевое защит ное устройство погружных электродвигателей, обладающее ме нее жесткими защитными характеристиками [146, 147].

4.2.2. Методика экспериментальных исследований нагрева погружных электродвигателей и анализ их результатов Исследованиям нагрева погружных электродвигателей пос вящены ряд работ [7, 9, 66, 123, 124, 137…140].

Следует, отметить что, в этих работах в качестве предметов экспериментального исследования были использованы в основ ном или различные макеты обмоточных проводов или погруж ные электродвигатели малой мощности. В ряде случаев экспери менты проводились в условиях недостаточно близких к реаль ным эксплуатационным. А в проводимых соавторами исследова ниях [7, 14, 66] ставились следующие основные задачи:

изучение распределения превышений температур вдоль витков обмотки статора двигателя;

определение закона изменения нагрева и охлаждения об мотки статора двигателя;

определение температурного состояния обмотки статора при различных аварийных режимах работы двигателя;

сравнительное изучение тепловых состояний отдельных частей обмотки статора при самом опасном аварийным режиме двигателя.

Анализ результатов этих исследований позволит уточнить технические требования к устройствам защиты от различных аварийных режимов работы погружных электродвигателей.

Исследование состояния нагрева электродвигателей обычно проводят аналитическими и экспериментальными путями. Сле дует отметить, что аналитический расчет распределения темпе ратур в этих двигателях в установившихся тепловых режимах представляет известную существенную трудность [7].

Поэтому в данной работе рассматривается использование экспериментального метода исследования нагрева погружных электродвигателей.

Методика экспериментального исследования нагрева пог ружных электродвигателей заключается в следующем.

Для исследования нагрева погружных электродвигателей в допустимых и аварийных режимах работы целесообразно выб рать метод заложенных температурных индикаторов [7, 140, 141]. В качестве температурных индикаторов предлагается ис пользовать термопары. Они обладают тем преимуществом, что могут быть встроены в наиболее трудно доступные места.

Для изучения нагрева обмоток статора при допустимых и аварийных режимах предложены подвергнуть исследованию наиболее распространенные в республике погружные электро двигатели типа ПЭДВ различной мощности.

Проведение исследований нагрева погружных электродвига телей при эксплуатации, из-за специфики их работы, встречает ряд технических трудностей. Поэтому испытания проведены на специальной установке, разработанной на кафедре электрифика ции сельского хозяйства Азерб.СХИ совместно с Управлением Оросительной системы Самухского района.

Схема разработанной установки проведена на рис. 4.1.

Установка имеет бак 1 с открытой верхней частью для мон тажа испытываемого насоса 2. Вода поступает в бак с помошью трубы 3 из действующей погружной электронасосной установки 4, находящейся рядом с испытательной установкой. Это поз воляет за время работы испытываемого насоса поддерживать температуру воды постоянной, практически совпадающей с тем пературой воды в скважине. Таким образом в разработанной ис пытательной установке создаются условия работы электронасо са, наиболее близкие к реальным эксплуатационным.

Рис. 4.1. Схема установки для испытаний погружных электрона сосов: 1-бак;

2-испытываемый электронасосный агрегат;

3-переливная труба;

4-действующий электронасосный агрегат;

5, 6, 10, 11-задвиж ки;

7-нагнетательная труба;

8-счетчик воды;

9-манометр;

12-сливная труба;

13-пульт управления;

14-электронный потенциометр;

15-выво ды термопар;

16-тельфер Изменение подачи воды в бак из действующей установки производится задвижками 5 и 6. Изменение подачи электронасо са 2 производится задвижками 10 и 11.

На пульте управления испытательной установки для измере ния потребляемой мощности, силы тока и напряжения использо вался комплект приборов К-50.

Кроме того, на пульте был установлен регулятор напряже ния РН-35 М, с помощью которого в процессе испытания двига телей мощностью до 35 кВт можно было поддерживать напря жение на необходимом уровне. Для этой же цели при испытании электродвигателей мощности более 35 кВт на кафедре электри фикации сельского хозяйства Азерб СХА был разработан мощ ный 3-х фазный реостат.

Для контроля нагрева обмоток статора двигателя в процессе исследования в качестве датчиков использовались хромель-ка пелевые термопары.

В качестве измерительного прибора использован многото чечный электронный автоматический самопищущий потенцио метр, позволяющий получить необходимые температурные за писи в 12 точках.

Во время изготовления, закладки в обмотку статора и сос тавлении схемы соединения термопар к электронному потенцио метру необходимо учесть рекомендации, данные в работах [32, 141, 142].

Эксперименты должны проводиться в следующем порядке:

1. Для определения наиболее нагреваемого участка обмотки статора, необходимо изучить распределение температур вдоль витков обмотки статора двигателя.

2. Рекомендуется расположить термопары в одном пазе по всей длине статора как показана на рис. 4.2.

Для определения закона изменения нагрева и охлаждения обмотки статора во времени приведены испытания. Продолжи тельность опыта при этом составляет 2 часа, так как за это время двигатель может полностью нагреться и остыть.

3. Так как наибольший интерес представляет температурное состояние обмотки статора при различных аварийных режимах работы погружных электродвигателей, то предлагается эти ис пытания проводить на всех двигателях в следующих аварийных режимах: пуск с холодного состояния, включение на две фазы и с заторможенным ротором, с номинального режима с перегруз кой 50 %, работа при напряжении сети Uc = 0,8 Uн, обрыв фазы при различной нагрузке и заклинивании ротора при номиналь ной нагрузке и с перегрузкой 50 %.

Рис. 4.2. Распределение превышений температур вдоль витков обмотки статора: 1…9 – места расположения термопар, расположенных в одном пазе погружного двигателя ПЭДВ-32- 4. Деффектация погружных электродвигателей при ремонте показывает, что повреждения обмоток статора происходят в верхней ее части. Поэтому, сравнительное изучение тепловых состояний обмоток в этих частях, при самом опасном аварийном режиме (когда при 1,5 Iн происходит заклинивание ротора), представляет определенный интерес.

На основе записей температур, которые будут получены после испытаний первой серии, следует построить эпюру рас пределения превышений температур вдоль витков обмотки ста тора, позволяющую определить ее наиболее нагреваемые участ ки.

Для определения закона изменения нагрева и охлаждения погружных электродвигателей следует использовать записи тем ператур, которые будут получены после второй серии испыта ний. На основе этих экспериментальных данных следует пос троить кривые нагрева и охлаждения для всех испытываемых погружных электродвигателей и определить по ним значения постоянных времени нагрева и охлаждения.

При этом следует также определить аналитические выраже ния для закона изменения нагрева и охлаждения погружных электродвигателей (t ).

Изменение превышения температур происходит по закону экспоненты [143, 144]:

t уст (1 е Tнаг ), (4.1) где - превышение температуры двигателя над температу рой окружающей среды, С;

уст - установившееся значение превышения температу ры, С;

t– время, мин;

Тнаг – постоянная времени нагрева двигателя, мин.

А охлаждение двигателя происходит по закону t нач. е, (4.2) Tохл нач.охл. - значение превышения температуры двигателя в на чале охлаждения, С;

Тохл – постоянная времени охлаждения двигателя, мин.

Следовательно, аналитические представления искомых функциональных зависимостей сводятся к определению пара метров уст, Тнаг, нач.охл. в формулах (4.1) и (4.2). Отыскание этих параметров следует произвести методом наименьших квад ратов [96, 164].

Записи температур, полученные в результате испытаний третьей серии, позволяют определить скорость нарастания тем ператур, время нарастания температур до предельно допустимо го значения и превышения температуры обмотки статора пог ружных электродвигателей при выше указанных аварийных режимах. Эти необходимые данные позволяют уточнить техни ческие требования к защитным устройствам.

На основе температурных записей, которые будут получены после четвертой серии испытаний, следует построить кривые из менения температуры обмотки при самом опасном режиме с точки зрения нагрева, как для ее верхней части, так и для пазо вой части.

Все основные результаты запланированных эксперименталь ных исследований нагрева погружных электродвигателей следу ет оформить в виде графиков, функциональных зависимостей и таблиц.

Ниже приведен анализ полученных результатов исследова ний нагрева погружных электродвигателей. Анализ результатов первой серии испытаний показывает, что график (эпюр) распре деления температур в обмотке статора сохраняет свой характер при различной нагрузке (рис. 4.2). При увеличении нагрузки двигателя возрастает перепад температур между наиболее нагре той (верхняя часть на стороне насоса) и наименее нагретой (се редина пазовой части) частями обмотки. Этот наибольший пе репад составляет для двигателя ПЭДВ-32-219 при нагрузках 0,8;

1,0;

1,2 и 1,5 Iн соответственно 3,4;

4,5;

5,5 и 7,0С.

Такой характер распределения температур объясняется тем, что тепло от обмотки к корпусу передается через пакет статора лучше, чем через воду, заполняющую внутреннюю полость электродвигателей. Кроме того, следует отметить, что в процес се работы насоса нагретая часть воды поднимается в верхнюю часть внутренней полости электродвигателя, что также ухудша ет охлаждение верхней части обмотки.

Основные результаты второй серии испытаний приведены на рис. 4.3 и в таблице 4.1.

Кривые 1…3, 7…9 (рис.4.3) построены на основе экспери ментальных данных, а кривые 4…6 и 10…12 на основе функ циональных зависимостей (4.1) и (4.2), которые являются урав нениями нагрева и охлаждения погружных электродвигателей.

Параметры (Тнаг, Тохл.., уст и нач.охл.), входящие в эти уравне ния, определены методом наименьших квадратов и их значения для вех испытываемых погружных электродвигателей, приведе ны в таблице 4.1 [96, 164].

Рис. 4.3. Кривые нагрева и охлаждения погружных электродвигателей:

теоретическая;

- - - - - - - - экспериментальная;

1, 4, 7, 10 – ПЭДВ-32-219 новый;

2, 5, 8, 11 – ПЭДВ-45- новый;

3, 6, 9, 12 – ПЭДВ-45-270 отремонтированный По экспериментальным кривым нагрева (1…3, рис. 4.3) и ох лаждения (7…9, рис.4.3) определены для этих же двигателей постоянные времени нагрева (Т*наг) и охлаждения (Т*охл.), уста новившееся значения превышения температур над температурой скважинной воды ( *уст.) и значения превышения температур в начале охлаждения двигателей ( *нач.охл.). Эти данные приведе ны в таблице 4.1.

Анализ данных таблицы показывает, что постоянная време ни охлаждения (Тохл.) больше, чем постоянная времени нагрева (Тнаг), следовательно, в отличии от процесса нагрева при охлаж дении скорость изменения температуры ниже. Это объясняется тем, что при остановке ротора, скорость омывания корпуса дви гателя водой уменьшается до нуля, что приводит к ухудшению теплоотдачи двигателя.

Таблица 4. Значения основных параметров нагрева и охлаждения погружных электродвигателей при I=1,0Iн, *, Тип Т* мин Т наг,мин Т* мин Т охл,мин *,С уст нач,охл нач,охл наг, охл, уст двигателя С С С ПЭДВ 32-219 7,4 7,02 17,5 19,5 17,5 17,5 17,5 17, новый ПЭДВ 45-270 8,3 7,8 23,8 25,97 23,0 23,29 23,0 23, новый ПЭДВ 45- отремон- 8,4 7,58 23,3 25,13 26,0 26,2 26,0 26, тирован ный Результаты этой серии испытаний еще раз подтверждают, что упрощенная модель погружного электродвигателя с доста точной точностью отражает картину его нагрева и охлаждения, то есть данный физический процесс происходит по экспонен циальному закону.

Результаты третьей серии испытаний, взятые из соответст вующих записей температур для погружного двигателя типа ПЭДВ-32-219 приведены в таблице 4.2.

Для наглядности также приведены кривые нагрева (рис.

4.4) испытываемого погружного электродвигателя типа ПЭДВ – 32 - 219 в некоторых аварийных режимах, указанных в табли це 4.2.

Таблица 4. Результаты испытаний нагрева обмотки статора погружного двигателя типа ПЭДВ-32-219 в аварийных режимах № Скорость Время Превышения п.п. нарастания нарастания температур, Аварийный режим температур, температур, С С/сек сек.

Пуск с холодного сос тояния а) Включение на две фазы (ротор неподви- 0,29 224 жен) б) Включение с затор моженным ротором 0,69 94 при номинальном напряжении С номинального ре жима. Перегрузка 2 - - % Работа при напря 3 - - жении сети 0,8 Uн Обрыв фазы при:

- - а) I=0,8 Iн 0,30 158 б) I=1,0 Iн 0,31 137 в) I=1,2 Iн 0,33 94 г) I=1,5 Iн Заклинование ротора при: 0,73 65 а) I=1,0 Iн 0,75 41 б) I=1,5 Iн Анализ этих результатов показывает, что испытываемые погружные электродвигатели имеют достаточный запас по наг реву при превышении тока на 50%, независимо от продолжи тельности действия. При этих перегрузках запас по нагреву сос тавляет 22-31С. Обычно такое превышение тока наблюдается в тех насосных агрегатах, где не производится текущий ремонт.

При этом из-за износа подпятников увеличивается осевой люфт ротора насоса, вызывающий трение дисков колеса о неподвиж ные детали. При I= Iн запас по нагреву равен 39,0…47,5С.

Превышение температуры, С Время, от начала аварийных режимов, сек.

Рис. 4.4. Превышение температуры в обмотке погружного электродвигателя ПЭДВ-32-219 при аварийных режимах:

1-пуск под нагрузкой I=1,5 Iн с холодного состояния;

2-обрыв фазы при установившемся режиме с номинальной нагрузкой I=1,0 Iн (при этом двигатель переходит в режим заторможенного ротора);

3-включение с заторможенным ротором при номинальном напряжении с холодного состояния;

4-заклинивание ротора при установившемся режиме с нагрузкой I=1,5 Iн Самым опасным с точки зрения нагрева обмотки является тот режим, когда в насосным агрегате, работающем при I=1,5Iн происходит заклинивание ротора. Но даже при этом режиме время нарастания температуры до предельно допустимого зна чения не меньше 31 сек (для отремонтированного ПЭДВ-45 270).

Таким образом, результаты исследования на нагрев погруж ных электродвигателей в различных аварийных режимах показа ли, что имеется возможность при разработке устройств защиты предъявить к ним менее жесткие требования с точки зрения про должительности срабатывания защиты.

Специально разработанные для защиты погружных электро двигателей станции управления типа ШЭТ, ШЭП, Каскад и др. в этом отношении имеют относительно жесткие защитные харак теристики [145].

Анализ результатов четвертой серии испытаний показывает, что согласно рис. 4.2 время нарастания температуры до пре дельно допустимого значения для точки 7 незначительно (1… сек) меньше чем для точки 9 (рис. 4.5).

Превышение температуры, °С Время, сек.

Рис. 4.5. Превышение температуры в точках 7 (кривая 1) и (кривая 2) в обмотке погружного электродвигателя ПЭДВ-32-219 при аварийных режимах Это объясняется тем, что в пазах плотность витков достаточ но невелика, и поэтому, при аварийных режимах, за короткое время они не успевают быстро охлаждаться, несмотря на то, что в пазовой части тепло лучше передается от обмоток через пакет магнитопровода статора к корпусу.

Отсюда следует, что в пазах при несрабатывании защиты повреждение обмоток статора от высокой температуры может произойти как в той части, которая выходит за пределы магни топровода пакета статора, так и в пазах. Деффектация погруж ных электродвигателей подтверждает результаты данной серии испытаний.

4.2.3. Анализ разработки и экспериментальных исследований нового защитного устройства погружных электродвигателей В результате экспериментальных исследований нагрева пог ружных электродвигателей для уточнения технических требова ний, предъявляемых и защитным устройствам установлено, что при различных нагрузках графики изменения температур в об мотке статора сохраняет свой характер. При этом выявлено, что наиболее слабым местом с точки зрения нагрева является верхняя часть обмотки, выходящая за пределы пакета магниито провода статора. А нагрев и охлаждение погружных электродви гателей с достаточной точностью подчиняются экспоненциаль ному закону.

В результате испытаний на нагрев погружных электродвига телей в различных аварийных режимах установлено, что они с точки зрения нагрева являются достаточно надежными. Такое состояние раскрывает возможность при разработке защитных устройств предъявлять к ним менее жесткие требования, поз воляющие создать более простую и надежную защиту.

Изучением опыта эксплуатации и ремонта, а также научно исследовательские работы, посвященные повышению надежнос ти защитных устройств погружных электродвигателей установ лено, что в указанных работах отсутствуют достаточно полные решения вопросов создания новой защиты, удовлетворяющие следующим основным требованиям [130]:

отключение двигателя при опасных перегревах по любой причине, то есть универсальность;

стабильная и надежная работа в реальных условиях сель ских электрических сетей и при изменениях параметров окру жающей среды в широких пределах;

унификация для всех типоразмеров электродвигателей.

Учитывая вышеизложенные нами предложена более прос тая, следовательно, надежная и дешевая станция управления для защиты погружных электродвигателей, обладающая менее жест кими защитными характеристиками. Она создана на основе ус тройства для температурной защиты погружных электродвига телей [29, 146].

Выбор температурного принципа защиты обусловлен тем, что устройство температурной защиты наиболее полно удовлет воряет вышеуказанным основным требованиям. Кроме этих в погружных электродвигателях по сравнению с обычными элек тродвигателями, можно легко устранить все основные недостат ки, присущие этим типам защиты. При этом температурная за щита эффективно может защищать погружные электродвигате ли как при нарушении охлаждения и перегрузках, так и при об рывах фазы и заторможенном роторе электродвигателя.

Устройство для температурной защиты погружных электро двигателей было разработано на базе встроенной температурной защиты УВТЗ-1 [130, 147].

В схеме универсальной температурной защиты типа УВТЗ- отсутствуют элементы с большим тепловыделением, обеспече ны высокая точность и стабильность порога срабатывания в ши роком диапазоне рабочих температур, а также расширены воз можности самоконтроля.

Следовательно, встроенная температурная защита является более совершенной и самой эффективной защитой от тепловых перегрузок электродвигателей. Внедрение этой защиты от ава рийных тепловых режимов позволяет в среднем в 5 раз умень шить выход из строя асинхронных электродвигателей [130].

Несмотря на указанные преимущества устройство УВТЗ- имеет и некоторые недостатки [31, 77]:

из-за динамической погрешности термодатчика происхо дит запаздывание срабатывания защиты, что приводит к прежде временному старению изоляции обмоток и сокращению срока службы электродвигателей;

- для определенного класса изоляции обмоток подбирают определенный тип позистора;

при ремонте двигателя термодатчики обычно повреждают ся и становятся непригодным к повторному использованию.

Кроме того, следует отметить, что устройства УВТЗ-1 не пригодны для защиты погружных электродвигателей, так как ус тановка позисторов непосредственно в обмотках этих двигате лей не обеспечивает его нормальное функционирование. Это объясняется тем, что предельно допустимая температура изоля ции обмоток используемых специально для погружных электро двигателей не превышает 80С, а позисторы СТ14-1А и СТ14-15, выпускаемые в качестве термодатчиков специально для устрой ства УВТЗ-1 имеют температуру срабатывания соответственно 130С и 105С. Следовательно, температура срабатывания этих позисторов намного больше предельно допустимой температу ры изоляции обмоток погружных электродвигателей.

Установка позисторов непосредственно в обмотках статора погружных электродвигателей не выгодна и экономически, так как устранение любой неисправности в цепи позисторов требует поднятие и опускание электронасоса, а эта работа обходится в среднем около 200 ман.

Чтобы сделать устройство УВТЗ-1 пригодным и для защиты погружных электродвигателей авторами использовано новое техническое решение. Такое решение заключается в том, что в отличие от обычного применения устройства УВТЗ-1, термодат чики устанавливаются не в обмотках статора, а в полости спе циально разработанных авторами нагревательных элементов, которые находясь внутри специально изготовленного корпуса и жестко соединенного к наземной части водонапорного трубо провода (рис. 4.6), омываются скважинной водой, подаваемой защищаемым электронасосом [146]. При этом установлено, что разработанное устройство, сохраняя достоинства УВТЗ-1 ус траняет все его недостатки [7].

Омывание нагревательных элементов скважинной водой, имеющей постоянную температуру, вызвано тем, что при этом полностью исключается влияние окружающей среды на их наг рев в любое время года и в течение суток [146, 148]. При этом величина установившейся температуры в нагревательных эле ментах зависит от температуры и скорости омывающей их воды и нагрузки двигателя.

Температура воды, которая омывает двигатель и нагрева тельные элементы, практически постоянна. Скорость омываю щей воды также постоянна, так как подача насоса практически не меняется. Определенное значение скорости воды омывающей нагревательные элементы можно получить с помощью вентиля (рис. 4.6).

1 2 Рис. 4.6. Схема соединения корпуса нагревательных элементов к водонапорной трубе:1-водонапорная труба;

2-корпус нагревательных элементов;

3-вентиль Следовательно, в каждой насосной установке значение тем пературы, как в обмотках двигателя, так и в нагревательных эле ментах будет зависеть только от значения нагрузки двигателя.

Ток, протекающий в нагревательных элементах полностью соответствует нагрузке двигателя, так как, согласно разработке, устройство УВТЗ-1 снабжено трансформаторами тока (выпус каемыми промышленностью), первичные обмотки которых при соединены к цепи токоподводящих кабелей защищаемого элек тродвигателя, а вторичные обмотки включены к этим нагрева тельным элементам.

Нагревательные элементы конструктивно разработаны та ким образом, чтобы их характер нагрева по возможности точно соответствовал тепловому состоянию обмотки защищаемого погружного электродвигателя.

Отсюда следует, что нагревательные элементы имитируют тепловое состояние обмотки погружных электродвигателей. По этому в дальнейшем мы будем пользоваться и термином «ими тирующие тепловые элементы». Кроме конструкторских разра боток выполнены тепловые и конструкторские расчеты имити рующих тепловых элементов [7].

Расчетные и экспериментальные данные показывают, что значение установившейся температуры в полости каждого наг ревательного элемента, имеющего цилиндрическую форму, зна чительно изменяется вдоль элемента, достигая максимума в средней части его верхней половины.

Подбором сопротивления нагревательных элементов доби ваемся того чтобы кривая нагрева средней части верхней поло вины элементов наг.эл. проходило выше, чем кривая нагрева об моток двигателя обм.дв. (рис. 4.7). Это позволяет при номиналь ном установившемся тепловом режиме, получить температуру в этой части элементов значительно превосходящую температуру наиболее нагревающейся части обмотки двигателя.

Это обстоятельство позволяет использовать УВТЗ-1 для за щиты погружных электродвигателей, так как при этом создают ся все условия для его нормального функционирования. Дей ствительно, при номинальном режиме работы погружного дви гателя, в средней части верхней половины полости нагреватель ных элементов температура высока (80-100С), но недостаточно для срабатывания позистров, температура срабатывания их 105С и 130С. А при аварийных режимах из-за увеличения тока нагрузки, значения этой температуры быстро достигает темпера туры срабатывания позисторов.

Кривые нагрева обмотки двигателя ( обм.дв.), нагревательных элементов ( А.НТЭ, Б.НТЭ) и позисторов (( Апоз., Б.поз) в нор мальном и аварийных режимах а, также зона допустимого вре мени срабатывания защиты показаны на рис. 4.7.

Изменением месторасположения позисторов в полости наг ревательных элементов можно настроить защиту так, чтобы она срабатывала не только при превышении предельной температу ры обмотки двигателя, приводящей к преждевременному старе нию изоляции обмотки, но и при температурах ниже предельной (см. рис. 4.7). При этом отпадает и выбор типа позистора в зави симости от класса изоляции, то есть для любого класса изоляции можно использовать как позистор типа СТ14-1А, так и позистор типа СТ14-1Б изменяя их месторасположения в полости нагре вательных элементов.

Динамическая погрешность позисторов Температура, °С Период нормального режима Период аварийного режима Время Рис. 4.7. Графики изменения температуры обмотки погружного электродвигателя, нагревательных элементов и позисторов: 1- кривая нагрева погружного электродвигателя;

2(3) – кривая нагревательных элементов в месте установки позистора СТ14-1Б (СТ14-1А);

4 (5) – кривая нагрева позистора СТ14-1Б (СТ14-1А) Таким образом, разработанные нагревательные элементы совместно с УВТЗ-1 образуют устройство для температурной защиты погружных электродвигателей [7, 148], которое вы полняет основную защитную функцию станции управления.

При разработке устройства температурной защиты были рассмотрены и вопросы его унификации. При этом к решению этой задачи подходили следующим образом. С этой целью трансформаторы тока для отдельных типоразмеров погружных электродвигателей необходимо выбрать таким образом, чтобы в номинальном режиме токи нагрузок нагревательных элементов получились по возможности близкими по значению. Это и дает возможность унифицировать разработанное устройство темпе ратурной защиты.

Таким образом разработанное устройство полностью отвеча ет требованиям, предъявляемым к защитным устройствам пог ружных электродвигателей с устранением основных недостат ков существующей защиты типа УВТЗ-1.

Разработанная станция управления на основе устройства температурной защиты обеспечивает местное управление и за щиту погружного электродвигателя от аварийных режимов ра боты. Станция управления также обеспечивает визуальный кон троль нагрузки электродвигателя. Данная станция управления и защиты выполнена в виде шкафа с дверью.

Внутри шкафа смонтированы пусковая аппаратура и защит ное устройство УВТЗ-1, а на дверь выведены приборы и аппара тура управления.

Корпус специально разработанных нагревательных элемен тов жестко соединяется к напорному трубопроводу (рис. 4.6.) Конструкция нагревательных элементов приведена на рис 4.8.

Нагревательные элементы состоят из двух термостойких ке рамических трубок 3 и 4 различного диаметра, расположенных концентрично. Нагревательное сопротивление 5, изготовленное из реостатного сплава в виде проволочных спиралей, намотано на трубку 3. Полость между трубками 3 и 4 заполнена электро изоляционным наполнителем 6 и сверху закрывается теплостой ким материалом 7. Нагревательные элементы снаружи со всех сторон, кроме нижней части покрывается эпоксидной смолой с добавлением наполнителя 8. Это дает возможность направить основной поток тепла к внутренней полости трубки 3, куда вс тавлен термодатчик 9.

Тепловой и электрические расчеты предложенных нагрева тельных элементов приведены в приложении 6 167.

Рис. 4.8. Конструкция нагревательных элементов: 1- нагреватель ный элемент;

2- корпус нагревательных элементов;

3, 4-керамические трубки;

5-нагревательное сопротивление;

6-электроизоляционный наполнитель;

7- теплоизоляционная пластинка;

8-теплоизоляционное покрытие;

9–позистор;

10-отверстия Нагревательные элементы соединены в звезду и снизу зак реплены эпоксидной смолой к днищу корпуса 2, изготовленного из латуни.

Принципиальная электрическая схема разработанной стан ции управления и защиты для погружных электродвигателей приведена на рис. 4.9.

Согласно данной схемы разработанной станции управления и защиты к фазам А1, В1 и С1 питающей сети погружного элек тродвигателя М подключены первичные обмотки трансформато ров тока Т А, а вторичные обмотки их присоединены к имити рующим тепловым элементам ЕК.

Рис. 4.9. Принципиальная электрическая схема разработанной станции управления для погружных электродвигателей Выходы термодатчиков ВК, расположенных внутри тепло вых элементов, подключены к соответствующим клеммам ус тройства встроенной температурной защиты УВТЗ-1. Цепь ка тушки магнитного пускателя КМ подключена к фазам А1 и В через контакт КL промежуточного реле. К цепи питания устрой ства УВТЗ-1 подключены кнопки «стоп» SB1 и «пуск» SB [146].

Разработанная станция управления осуществляет защиту погружного электродвигателя при перегрузках, работе электро двигателя на двух фазах, заклинивании ротора, включении дви гателя на две фазы, включении двигателя с заторможенным ро тором, коротких замыканиях, уходе воды из скважины – «сухом ходе» электродвигателя.

Станция управления работает следующим образом.

В исходном состоянии, когда температура термодатчиков ВК ниже точки срабатывания при включенном автомате QF, на жатием кнопки «пуск» SB2 срабатывает промежуточное реле УВТЗ-1 и замыкает свой контакт КL в цепи магнитопускателя КМ. При нагреве термодатчиков ВК до температуры срабатыва ния, что соответствует аварийному режиму электродвигателя М, сопротивление термодатчиков резко возрастает, УВТЗ-1 сраба тывает и с помощью контакта КL разрывает цепь магнитного пускателя КМ, который отключает двигатель от сети.

Термодатчики до температуры срабатывания нагреваются нагревательными элементами ВК, имеющими тепловые характе ристики подобные характеристикам обмоток погружного двига теля.

В аварийных режимах, при которых подача воды не осущес твляется (включение погружного электродвигателя на две фазы, включение двигателя в холодном состоянии с заторможенным ротором), или прекращается (при заклинивании ротора и при обрыве фазы, когда, в зависимости от загрузки, двигатель пере ходить в режим заторможенного ротора) работа станции управ ления аналогично выше описанного. Однако, при этом время срабатывания защиты намного уменьшается. Этому способству ет то, что двигатель и нагревательные элементы в этих режимах находятся в различных условиях охлаждения-двигатель в воде, а нагревательные элементы–в воздухе. Поэтому нагревание тер модатчиков до температуры срабатывания произойдет быстрее, чем в случае аварий, при которых подача воды не прекращается, тем самым резко повышая чувствительность устройства защиты в опасных аварийных режимах [7, 146].

При уходе воды из скважины сигнал аварии поступает в ус тройство УВТЗ-1 от датчика «сухого хода» ДСХ, установленно го в скважине.

В случае возникновения коротких замыканий, сопровождаю щихся большими токами, двигатель отклюючается автомати ческим выключателем QF.

При необходимости, введением в схему станции управления дополнительных элементов (датчики уровней воды и им соот ветствующие реле реле исполнения включения и реле испол нения отключения), легко можно добиться автоматического и телемеханического управления электронасосом.

Для проверки работоспособности разработанной станции управления погружных электродвигателей проведены экспери ментальные исследования, которые в основном сводятся к ис следованию нагрева и надежности работы нагревательных эле ментов. При этом также для определения защитных характерис тик станции управления проведены исследования их работы в различных аварийных режимах [7]. Для исследования станций управления разработаны программа и методика исследования. С этой целью на кафедре электрификации сельского хозяйства АзСХА был разработан специальный стенд, позволяющий моде лировать реальные условия и возможные режимы работы пог ружных электронасосов [166, 167].

В результате исследования нагрева нагревательных элемен тов построены кривые распределения температур вдоль внут ренней полости нагревательного элемента (рис. 4.10).

Анализ кривых показывает, что температура в средней части верхней половины полости нагревательного элемента значи тельно больше, чем в конечных участках. Объясняется эта тем, что конечные участки нагревательного элемента непосредст венно не нагреваются, так как по конструктивным соображени ям в этих частях отсутствуют витки нагревательного сопротив ления.

Рис. 4.10. Распределение температур вдоль внутренней полости нагревательного элемента Как видно из кривых, при нормальном режиме перепад тем ператур между наиболее и наименее нагретой частями полости нагревательного элемента значительно и составляет 70С, что позволяет в широких пределах менять время срабатывания за щиты в аварийных режимах. Для этого необходимо соответст венно менять месторасположения позисторов. Результаты иссле дования работы станции управления погружных электронасосов в различных аварийных режимах показывают, что разработан ная станция управления имеет достаточное быстродействие и минимальное время возврата при самих опасных аварийных ре жимах.

Таким образом, проведенные исследования показывают, что разработанная станция управления и защиты погружных элек тродвигателей способно надежно защищать погружные электро насосы от аварийных режимов и тем самим увеличить надеж ность электронасосной установки в целом.

Разработанная станции управления обеспечивает надежную защиту погружных электродвигателей при любых аварийных ре жимах, которые вызывают перегрев обмоток статора. Однако при попадании работающего двигателя в режим заторможенного ротора характерный и в то же время самый опасный аварий ный режим для этих двигателей – время срабатывания защиты длится более 30 сек, что является сравнительно затяжным для данного режима. При этом из-за больших токов нагревательные элементы находящиеся во внутренней полости корпуса и уже освободившейся от охлаждающей жидкости подвергаются пе регреву. А это при имеющем место в эксплуатационной прак тике сравнительно высокой частоте попадания двигателя в дан ный аварийный режим, способствует преждевременному тепло вому старению нагревательных элементов и следовательно, сок ращая их долговечность, уменьшению надежности устройства защиты в целом. Поэтому следует разработать мероприятия по усовершенствованию станции управления, обеспечивающих надежность и быстродействие защиты погружного электродви гателя в режиме заторможенного ротора.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для температурной защиты дополнительно введены два датчика уровня охлаждающей воды, установленные во внутренней по лости корпуса нагревательных элементов и дополнительное ре ле, обмотка которого через замыкающие контакты магнитного пускателя, кнопки «пуск» и «стоп» соединена с фазой питания электродвигателя и через первый датчик уровня охлаждающей воды с нулевым проводом, а второй датчик уровня для охлаж дающей воды включен в цепь питания регулирующего органа к нулевому проводу параллельно с размыкающим контактом до полнительного реле [9, 146, 148, 151].

Принципиальная электрическая схема усовершенствованной станции управления для погружных электронасосов приведена на рис. 4.11.

В случае попадания работающего двигателя в режим затор моженного ротора. Согласно принципиальной схемы в указан ном аварийном режиме из-за прекращения подачи, вода в напор ной трубе и, следовательно, во внутренней полости корпуса наг ревательных элементов исчезнет, при этом датчик SL1 быстро реагирует на исчезновение воды, обрывая цепь питания устрой ства УВТЗ-1.

Рис. 4.11. Принципиальная электрическая схема усовершен ствованной станции управления для погружных электронасосов Таким образом, по результатам лабораторных и производст венных испытаний установлено, что разработанное защитное ус тройство является более простым, следовательно надежным и дешевым, обладает менее жесткими защитными характеристика ми и является перспективной защитой погружных электродвига телей.

4.3. Устройство для автоматического перевода погружных электродвигателей в однофазный конденсаторный режим при обрыве одной из фаз В начале данной главы указано, что для усовершенствования защитных устройств от неполнофазных режимов целесообраз ным является не только отключение, но и обеспечение беспере бойной работы погружных электродвигателей при обрыве одной из фаз питающей сети. Такие защитные устройства принято на зывать защитно переключающими устройствами (ЗПУ).

Исследованиями установлено, что существует значительное количество различных фазочувствительных схем, в которых ис пользуется принцип сравнения двух или трех электрических ве личин по абсолютному значению [31, 62, 67, 73].

Возможно несколько принципиально различных способов сравнения электрических величин по абсолютному значению:

а) сравнение электромеханических моментов [151;

б) сравнение э.д.с. Холла [32, 152];

в) сравнение при помощи выпрямления [30, 152].

Схемы сравнения абсолютных значений нескольких элек трических величин при помощи выпрямления могут быть вы полнены по принципу равновесия напряжений, циркуляции то ков или магнитного вычитания [153]. Наиболее приемлемыми в практике оказались схемы сравнения двух или трех электричес ких величин.

Возможно также сравнение абсолютных значений трех и более электрических величин при помощи выпрямления. Ввиду большой сложности осуществления схем сравнения многих ве личин наиболее реальными являются схемы сравнения трех ве личин. Схемы сравнения трех величин, как и двух, могут быть выполнены по принципу равновесия напряжений, циркуляции токов или магнитного вычитания.

Для осуществления обеспечения бесперебойной работы пог ружных электродвигателей при обрыве фаз питающей сети раз работан принципиально новый метод их защиты. Впервые дока зана возможность применения защитно-переключающего ус тройства (ЗПУ), основанного на этом методе [150, 151, 154, 156].

Этот метод позволяет контролировать ток по амплитуде во всех трех фазах, а в качестве исходной информации, характери зующей величины токов в контролируемых фазах, применять сравнения трех электрических величин по амплитуде напряже ния непрерывного действия.

Структурная схема защитно-переключающего устройства, построенного на основе изложенных принципов и удовлетвор яющего предъявляемым к нему требованиям, изображено на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Структурная схема защитно-переключающего устройства Согласно структурной схемы устройство содержит следую щие элементы: преобразующий элемент, состоящий из трех трансформаторов тока ТА1…ТА3, выпрямители VD1...VD3, схему сравнения СС, реагирующий орган KL1...KL3 и переклю чающее устройство ПУ.

Формирующие элементы, включенные в трехфазную систе му питания электродвигателя, контролируют ток нагрузки во всех его фазах и образуют пропорциональные току нагрузки электродвигателя. э.д.с. Е1, Е2 и Е3, которые выпрямляются вып рямительными мостами и поступают на схему сравнения.

При нормальной работе электродвигателя выпрямленные напряжения, подводимые к схеме сравнения, одиноковые по аб солютному значению и взаимно уровновещиваются. При этом на выходе схемы сравнения сигнал отсутствует, отсутствует сиг нал и на исполнительных органах.

В случае появления неполнофазного режима в схеме сравне ния баланс напряжений нарушается и в исполнительном органе соответствующей (оборванной) фазы появляется ток, под влия нием которого устройство срабатывает и выключает фазосдви гающие емкости оборванной фазы. Тем самым электродвигатель переводится в однофазный режим работы. Важно, что при этом не происходит опасного перегрева обмотки статора.

Как уже отмечалось выше, для правильной оценки режима работы электродвигателя необходимо контролировать электри ческие величины во всех трех фазах. Поэтому в данной схеме за дача формирующего элемента-создать из трехфазной системы пропорционально токам нагрузки двигателя три э.д.с. Е1, Е2 и Е3, которые равны друг другу по абсолютному значению при нор мальной работе электродвигателя.

Контроль нагрузки электродвигателей при помощи транс форматоров напряжения нецелесообразен, ибо по фазным напря жениям невозможно контролировать нагрузку двигателя.

Следовательно, Е1, Е2 и Е3 необходимо преобразовать по ве личинам тока. Преобразование э.д.с. Е1, Е2 и Е3 может быть осу ществлено разными способами: при помощи трансреакторов, ферритовых колец или трех трансформаторов тока. На рис. 4. показан способ преобразования фазных токов в э.д.с. (напряже ний) Е1, Е2 и Е3 методом трех трансформаторов тока.

Рис. 4.13. Образование величины Е1, Е2 и Е3 методом трех трансформаторов тока Первичная обмотка каждого из измерительных трансформа торов тока включается в соответствующую фазу питания элек тродвигателя. Во вторичных обмотках трансформаторов тока образуются э.д.с. Е1, Е2 и Е3 и напряжения U1,U 2,U 3 [156].

При помощи амплитуд величин Е1, Е2 и Е3 появляется воз можность контроля за нагрузкой электродвигателя.

При обрыве одной из фаз питающей сети ток в первичной обмотке промежуточного трансформатора равняется нулю и со ответственно во вторичной обмотке э.д.с. тоже равняется нулю.

Нарушается равновесие напряжений, и на выходе схемы сравне ния в зависимости от оборванной фазы появляется соответст вующее напряжение, которое достаточно для срабатывания реа гирующего органа.

Таким образом, каждый реагирующий орган работает только при повреждении на определенных фазах. Такое свойство реаги рующего органа называется избирательностью.

На основе теоретических исследований и анализа принци пов создания фазочувствительных схем, изложенных выше, на ми была создана схема защитно-переключающего устройства.

На рис. 4.14 изобрежена принципиальная схема фазочувстви тельного полупроводникового защитно-переключающего ус тройства (ЗПУ) для автоматического перевода погружного элек тродвигателя в однофазный режим работы при обрыве фазы [157…160].

Схема состоит из трех одинаковых промежуточных транс форматоров тока ТА1, ТА2, ТА3 образующих пропорционально току нагрузки электродвигателя вспомогательные напряжения U1,U 2,U 3, трех выпрямительных мостов VD1...VD4, VD5...VD и VD9...VD12 со сглаживающими конденсаторами С1…С3, бал ластных резисторов R1…R3 на стороне выпрямленного тока, трех диодов VD13...VD15, трех реле KL1...KL3 двух рабочих ем костей С4, С5.

Балластные резисторы R1…R3 в схеме шунтируют выпрями тели и образуют контур с малым сопротивлением, по которому проходит ток через реагирующие органы, помимо выпрямите лей, представляющих большое сопротивление для токов обрат ного направления.

Рис. 4.14. Принципиальная схема фазочувствительного полупро водникового защитно-переключающего устройства ЗПУ Принцип действия разработанного устройства основан на сравнении абсолютных значений трех электрических величин (напряжения) попарно (рис. 4.15).

При нормальном режиме работы электродвигателя рабочие фазные токи, проходя через трансформаторы тока, образуют три вспомогательных напряжений U1,U 2,U 3 пропорциональные проходящему току. Эти напряжения U1,U 2,U 3 переменного тока выпрямляются выпрямительными мостами VD1...VD4, VD5...VD8 и VD9...VD12 и сравниваются по величине на равно весие напряжений. В нормальном режиме выпрямленные напря жения уравновешиваются и на реагирующих органах напряже ние отсутствует.

Рис. 4.15. Схема сравнения абсолютных значений трех электрических величин (напряжений) попарно В случае потери одной из любых фаз равновесие напряже ний нарушается, реагирующий орган оборванной фазы срабаты вает и своим контактом включает оборванную фазу электродви гателя через конденсатор к соответствующей фазе. При этом электродвигатель автоматически переходит в однофазный ре жим работы и не выходит из строя, благодаря чему не прерыва ется технологический процесс, обеспечиваемый этим электро двигателем, что имеет большое значение для потребителей. Эф фективность данного способа заключается в том, что при наи более частом и опасном аварийном режиме- обрыве фазы, элек тродвигатель не отключается, а продолжает работать, обеспечи вая непрерывность технологического процесса. Устройство просто по конструкции и надежно в эксплуатации. В зависимос ти от требований, предъявляемых к защитно-переключающему устройству оно может также работать только на отключение при обрыве фазы с выявлением оборванной фазы, что позволяет быстро устранить появившуюся неисправность.

По составленной методике выбраны основные параметры элементов схемы и дан расчет основных показателей надежнос ти разработанного защитно-переключающего устройства. Опре делено, что при средней наработки более 1,3103 часов, вероят ность безотказной работы устройства составляет в среднем более 0,99, что полностью удовлетворяет требованиями предъ являемым к защитным устройствам.

Указанное устройство может монтироваться в станции уп равления и защиты погружными электронасосами.

Разработанное устройство можно использовать для защиты как погружных, так и обычных серий электродвигателей.

Разработана программа, методика, а также приведены ре зультаты экспериментальных исследований и их анализ. Прог рамма экспериментальных исследований включала: изучение за висимости коэффициента асимметрии напряжений от величины фазосдвигающей емкости, загрузки и напряжения питающей се ти при использовании погружного двигателя в однофазном кон денсаторном режиме;


исследование рабочих характеристик и теплового режима погружного электродвигателя в трехфазном и однофазным конденсаторном режимах;

выявление работоспо собности предлагаемого ЗПУ в лабораторных и производствен ных условиях.

Оптимизация работы трехфазно двигателя в однофазном конденсаторном режиме осуществлялась с помощью метода ма тематического планирования эксперимента.

По результатам проведенных исследований построена номо грамма (рис. 4.16) для быстрого и точного определения величи ны оптимальной емкости из условия минимального значения коэффициента асимметрии напряжения с целью достижения наиболее эффективной работы трехфазного погружного элек тродвигателя в однофазном конденсаторном режиме.

Для универсальности номограммы приведена шкала относи тельного значения сопротивления рабочей емкости ( Х с ), кото рая определяется в зависимости от коэффициента загрузки и напряжения питающей сети. При этом величина рабочей емкос ти (мкФ) рассчитывается по формуле 14,48 I H (4.3) Ср X c где IH – номинальный ток электродвигателя.

Для более полной оценки работы погружного электродвига теля при переходе его в однофазный конденсаторный режим не обходимо провести лабораторные и производственные исследо вания. В процессе экспериментальных исследований, согласно методике, должны быть сняты основные рабочие характеристи ки и кривые нагрева погружного электродвигателя в трехфазном и однофазном конденсаторном режимах при неизменней нагруз ке.

Рис. 4.16. Номограмма для определения величины оптимальной фазосдвигающей емкости при использовании трехфазных погружных двигателей в однофазном конденсаторном режиме Оригинальность разработанного защитно-переключающего устройства подтверждена авторскими свидетельствами №794844 и 955336. О применении данного устройства свиде тельствует получение положительных актов внедрения его в различных хозяйствах и эксплуатационных управлениях сква жин [155, 156].

С использованием существующих методик был проведен расчет экономической эффективности внедрения предлагаемого защитно-переключающего устройства. Расчеты показывают, что внедрения разработанного защитно-переключающего устройст ва даст значительный экономический эффект [30, 156].

4.4. ВЫВОДЫ На основании выполненного анализа разработанных меро приятий по совершенствованию защитных устройств погруж ных электродвигателей можно сделать следующие основные вы воды.

Анализ основных способов защиты погружных электродви гателей и выявленная возможность предъявления к защитным устройствам этих двигателей менее жестких требований, поз воляет с помощью нового технического решения применить температурный принцип защиты, эффективно защищающий погружные электродвигатели при любых аварийных режимах.

Разработанная защита, сохраняя достоинства встроенней температурной защиты устраняет все ее недостатки.

Анализом результатов экспериментальных исследований выявлено, что омывание нагревательных элементов скважинной водой, практически полностью исключает влияние температуры окружающей среды на работу предлеженной защиты.

Также установлено, что дополнительно введенные электрод ные датчики и реле, образуя новым канал защиту, реагирующую на исчезновение воды в напорной трубе, резко увеличивают быстродействие защиты при поподании работающего двигателя в режим заторможенного ротора, тем самим, исключают излиш ный перегрев, обеспечивая увеличение долговечности нагрева тельных элементов. В результате повышается надежность ус тройства разработанной защиты из-за увеличения долговечности и появления резервированной системы для режима заторможен ного ротора.

Оригинальность указанных разработанных мероприятий подтверждена авторскими сведетельствами.

На основании анализа полученных защитых характеристик и результатов производственных испытаний установлено, что раз работанная станция управления является работоспособной, над ежной и перспективной защитой погружных электронасосов.

Анализом статистических данных о выходе из строя погруж ных электродвигателей потверждена высокая их аварийность, в процессе эксплуатации основной причиной которой является не удовлетворительная защита от обрыва фаз питающей сети. Вы явлено, что при появлении неполнофазных режимов ни одна из существующих защитных устройств не сохраняет бесперебой ную работу электронасосов, которая необходима в условиях сов ременного аграрного производства. В лучшем случае сущест вующие защитные устройства отключают погружные электро двигатели, при этом технологический процесс прерывается. По этому нами предложен новый принцип защиты погружных элек тродвигателей от неполнофазных режимов работы. При этом впервые рекомендовано не отключать, а переводить в однофаз ный конденсторный режим работы электродвигатели погруж ных насосов при обрыве фазы питающей сети, обеспечивая тем самым их надежную работу.

Оригинальность разработанного защитного устройства подт верждено авторским сведетельством.

Таким образом, разработаны защитные устройства, обеспе чивающие надежную работу погружных электронасосов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Анализ проведенных исследований позволяет сделать сле дующие выводы.

1. Значительная часть эксплуатируемых погружных элек тронасосов выходят из строя преждевременно из-за влияния ок ружающей среды на изоляционные конструкции обмоток стато ра и на коррозию металлических частей, а также на износ под шипников электродвигателей.

2. Установлено, что закон распределения отказов погружных электродвигателей соответствует логарифмически нормальному, который отражает приработочной характер этих отказов.

3. Реально существующий состав воды субартезианских ск важин республики характеризуется значительной агрессив ностью по отношению к элементом погружных электродвигате лей. Выявлено, что содержание наиболее агрессивных ионов сульфата и хлора соответственно в 1,25 и 1,17 раз превосходит допустимые значения.

Для эффективной защиты от коррозии обоснована и реко мендована использование дистиллированной ингибированной воды для заливки в электродвигатель.

4. Анализ результатов исследований показывает, что приме нение лака цапон позволяет повысить надежность изоляции мест соединений обмотки статора погружных электродвигате лей.

5. Результатом планирования эксперимента и анализом сос тояния надежности устройства защиты погружных электродви гателей установлено, что именно защита является наиболее сла бым узлом в системе. Такое положение требует разработки наи более надежной защиты.

6. Анализ работы разработанной защиты показывает, что она сохраняет преимущества встроенной температурной защиты в то же время устраняет ее известные недостатки. А дополнитель но введенные элементы позволяют образовать новую систему защиты, которая контролирует наличие воды в водонапорной трубе, несколько раз увеличивает быстродействие защиты дви гателя в режиме заторможенного ротора. При этом повышается надежность устройства защиты из-за увеличения долговечности нагревательных элементов.

7. Предложенный новый принцип защиты погружных элек тродвигателей позволяет не отключать, а автоматически перево дит его в однофазный конденсаторный режим работы при обры ве фазы питающий сети, обеспечивая тем самим надежную и обесперебойную работу электродвигателя.

8. Анализ результатов технико-экономических расчетов по казывает, что внедрение разработанных мероприятий способст вует получению значительного экономического эффекта.

ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение Методика получения информации об отказах и математической обработки эксплуатационныx данных погружных электронасосных установок Исходными данными для расчета надежности погружных электронасосных установок являются статистические данные об отказах их отдельных элементов и в целом, собранные в процес се эксплуатации.

Успешность всех работ по анализу эксплуатационной над ежности погружных электронасосных установок в значительной мере зависит от состояния системы сбора информации об их от казах. Поэтому организация сбора и обработки информации об отказах погружных электронасосных установок имеет чрезвы чайно большое значение.

Собранная эксплуатационная информация об эксплуатации погружных электронасосных установок должна отвечать требо ваниям действующего ГОСТ-а 19494-74 «Система сбора и обра ботки информации».

Согласно указанного действующего стандарта собранная эксплуатационная информация должна быть достоверной, пол ной, однородной и непрерывной. При организации и сборки ука занных информаций требования действующего стандарта пол ностью удовлетворены [14, 163].

Для получения необходимых информационных данных дли тельные годы нами были собраны статистические данные об от казах погружных электронасосных установок, обслуживающих характерные сельскохозяйственные районы Азербайджанской Республики.

Согласно действующего стандарта для определения коли чественных показателей надежности и выявления менее надеж ных элементов информация об эксплуатационной надежности погружных электронасосных установок должна содержать све дения об электронасосах, о времени поступления и причине воз никновения отказа, о ремонтных работах и наработке.

При исследовании влияния условий эксплуатации на надеж ность необходимы дополнительные сведения об условиях рабо ты электрооборудования. К ним относятся: характер окружаю щей среды, параметр вибрации, наличие агрессивных примесей.

Кроме этого, необходимы также сведения о режиме работы, изменения условий и режимов работы во времени.

Объем информационного материала, необходимого для оп ределения надежности электродвигателей, зависит от цели и глубины исследования. В случае неизвестного закона распреде ления случайной величины объем наблюдений предварительно находится из уравнения [100]:

Z x N или Z, (П 1.1) x N где N–объем наблюдений;

– предельная абсолютная ошибка;

х – среднее квадратическое отклонение;

Z – квантиль распределения Z U ;

– заданная вероятность.

Зная, х и, можно определить неизвестное N [100].


Для нахождения значения выборочной дисперсии необходи мо выбрать 5-10 (единиц) информации об отказах электродвига телей и определить среднее квадратическое отклонение по об щеизвестной формуле:

1n ( X i X )2, (П 1.2) х n 1 i где Хi и Х – соответственно возможные и средние значения случайной величины отказов:

Х1 Х 2 Х n 1 n Xi, (П 1.3) Х n n i где n- выборочное число для нахождения выборочной дис персии.

Для исследования надежности погружных электронасосных установок нами выбран и обоснован необходимая первичная до кументация.

В качестве такой документиации нами выбран смещанная система учета информации по эксплуатационной надежности погружных электронасосных установок. При этом в журналах фиксируются, с одной стороны, общие сведения об эксплуата ции электронасосов, а с другой-учет характера отказов и ре монтного обслуживания.

Данная система принята для исследования надежности пог ружных электронасосных установок, для чего разработана спе циальная форма журнала. Разработанная форма отвечает всем необходимым требованиям стандарта.

Преимущества такого способа сбора информации следую щие:

– контролю подвергались практически все электродвигате ли, работающие на орошении и, частично, на водоснабжении республики. В результате этого получен значительный объем статистических данных, достаточных для проведения полного анализа надежности электродвигателей;

– полученные эксплуатационные данные более ценны, чем получаемые в лабораторных условиях, так как они основаны на работе электродвигателей в реальных условиях;

– отпадает необходимость в проведении специальных испы таний и затрат материальных средств, так как эти данные полу чают «автоматически», т. е. в процессе эксплуатации электро двигателей на реальных объектах.

Нами предусмотрено исследование наиболее распространен ных типов электродвигателей, как новых, так и прошедших ка питальный ремонт.

Объем собранных данных обеспечивает достоверность полу ченной информации, так как результаты расчета по определе нию минимального объема информациионного материала, необ ходимого для определения надежности, показали, что объем собранных статистических материалов для всех типов электро двигателей превышает минимально необходимый (при 0,95;

n 10шт. и 500 часов) [100].

При классификации погружных электродвигателей основны ми признаками были приняты следующие:

– тип электродвигателя;

– назначение электродвигателя–для водоснабжения или оро шения;

– исполнение электродвигателя – новый (заводской) или от ремонтированный.

С учетом данной классификации нами также была составле на специальная форма [14].

Формы журналов были разосланы по 10 эксплуатационным участкам управления субартезианских скважин, одновременно были разосланы краткие методические указания о порядке и правилах заполнения журналов с указанием срока представле ния этих документов.

Все необходимые эксплуатационные данные должны быть подвергнуты математической обработке для определения коли чественных показателей эксплуатационной надежности электро двигателей.

Математическая обработка эксплуатационных данных начи нается с составления таблицы для вариационного ряда наработ ки. Для этого используются сведения об отказах погружных электродвигателей.

По этой таблице проверяется, не отличаются ли существен но крайние члены ряда случайных величин от остальных членов ряда, т.е. не являются ли они результатами грубых ошибок или исключительных обстоятельств при эксплуатации.

Число интервалов (К) группирования может быть прибли женно определен из следующих соотношений [99]:

(П 1.4) К 1 3,3gN, где N – число членов вариационного ряда.

Обычно в зависимости от объема выборки число интервалов принимают в пределах от 8 до 20 [163].

Если известно число интервалов (К), то величина интерва лов может быть определена по формуле [99]:

R (П 1.5) t, K где R – размах варьирования:

R t м акс t м ин, (П 1.6) t м акс t м ин – соответственно максимальное и минимальное значение случайной величины (время отказа электродвигате лей), которая устанавливается с помощью заполненного журна ла (приложение 2).

Зная число и величину интервала и размах вариационного ряда, можно установить границы каждого (i-го) интервала.

Середину (tсрi) каждого интервала времени находят по сле дующей формуле:

t i 1 t i t cpi (П 1.7), где t i 1 и t i – соответственно время начала и конца i-го ин тервала.

Затем вычисляется количество отказов в интервале ni. После этого определяется количество отказов до конца каждого интер вала k i ni (t k t ).

k Количество исправно работающих электродвигателей в кон це каждого интервала определяют выражением:

k i ni (t k t ).

N i 1 N (П 1.8) k Затем вычисляются соответственно вероятность безотказной работы Р*(t), вероятность отказа Q*(t), частота отказов а*(t) и ин тенсивность отказов *(t) для каждого интервала. Таким обра зом, определяется эмпирический закон распределения.

Важнейшими характеристиками эмпирического распределе ния являются математическое ожидание М(t) и среднее квадра тическое отклонение.

Математическое ожидание М(t) – средняя величина возмож ных значений случайной величины ti – времени наработки, взве шенная по их вероятностям (Рi):

М (t ) t i Pi. (П 1.9) Приближенное значение М(t) принимают равным среднему значению случайных величин. Для нашего расчета М(t) прини мается равным средней наработке до первого отказа Тср.

Среднеквадратическое отклонение Тср. и выборочное сред неквадратическое отклонение SТср. вариационного ряда определ яется по формуле [163]:

n ( t Tcp. ) i (П 1.10) Тср. i 1 ;

N n ( t Tcp. ) i (П.1.11) SТср. i 1.

N Величину стандартного отклонения среднего значения Тcp. или ошибку средней наработки на отказ [ТсрМ(t)] наход ят из выражения:

S (П 1.12) Тср. = Tcp., N Тс. р. - степень точности нахождения Тс.р. (средняя квадра тическая ошибка).

Средняя наработка на отказ с учетом Тср. будет иметь вид:

Т Т ср. Тср.. (П 1.13) По данным таблицы (см приложение 2) строятся гистограм мы, частота отказов а*(t), вероятность безотказной работы Р*(t), вероятность отказа Q*(t) и интенсивность отказа *(t). При помо щи полученных данных и внешнего вида гистограммы устанав ливается теоретический закон распределения.

После этого предварительно проверяют сделанные выводы о законе распределения отказов. Для этой цели пользуются общи ми предположениями о различных законах распределения и ко ординатной сеткой [99, 101]. При этом полученные эксперимен тальные данные наносят на координатную сетку, соответствую щую предполагаемому закону распределения. Затем проводят прямую линию через экспериментальные точки таким образом, чтобы отклонения точек от прямой были минимальными, убеж даются в возможности линейной интерполяции и находят наи большее отклонение.

Для оценки сделанных выводов о законе распределения от казов используют критерий Колмогорова [96], на основании ко торого экспериментальное распределение согласуются с выб ранным теоретическим, если выполняется условие:

(П 1.14) D N, где D – наибольшее отклонение экспериментальной точки от прямой;

N- общее число эксплуатационных наблюдений;

-параметр, определяющий значения вероятности Р().

Значения и Р( ) приводятся в табл. [96].

Если вероятность Р( ) весьма мала, то гипотезу следует от вергнуть, как неправдоподобную. Если вероятность Р( ) имеет сравнительно большое значение, то гипотезу можно считать сог ласованной с опытными даными [96].

После того, как установлено предварительное предположе ние о законе распределения отказов, определяются теоретичес кие формулы предполагаемого закона распределения отказов.

Пользуясь параметрами эмпирического распределения для каждого интервала, вычисляют теоретическиую частоту отказов (плотность распределения), вероятность безотказной работы (функция распределения), вид отказа и интенсивность.

Результаты расчета заносят в специальную таблицу, форма которой зависит от вида закона распределения. По данным этой таблицы строят теоретические графики отказов: вероятности безотказной работы, вероятности отказа, частоты отказа, интен сивность отказа;

вычисляют математическое ожидание и средне квадратическое отклонение (Приложение 3).

Построенные кривые теоретического закона распределения должны сохранять основные, существенные особенности ста тистического распределения и довольно хорошо согласовывает ся с эксплуатационными данными. При этом более точное опре деление получают путем сравнения статистической и теорети ческой кривой распределения. Для этой цели пользуются раз личными критериями согласия. Наибольшее распространение получили критерии согласия Пирсона и А.Н.Колмогорова [96, 101].

В данной работе считается целесообразным применение сог ласия Пирсона (« 2 распределения»), для установления степени согласованности теоретического и статистического распределе ния времени наработки до отказа погружных электродвигателей [101].

Укажем последовательность операций при использовании критерия согласия Пирсона для определения меры расхождения между теоретическими значениями вероятности безотказной работы (частота отказов) и ее статистическими величинами [96]:

– определяется мера расхождения:

к (ni NPi ) 2 (П 1.15), NPi i где N – общее количество отказов электродвигателей;

К – количество интервалов статистического ряда;

Pi – вероятность попадания случайной величины в интер вал.

– определяют число степеней свободы 2 - распределения по формуле:

r К S, (П 1.16) где S – число наложенных связей на величины вероятностей Р(t).

В частности, требуется выполнение следующих соотноше ний:

к P 1 (П 1.17) f ( X )dx ;

i o i 0 X ;

k M ( X ) Pi X i f ( x)dx. (П 1.18) o i При этом число наложенных связей принимается равным 2, если закон распределения дополнительно требует еще определе ния дисперсии, и при этом S=3.

С помощью значения 2 и r определяется значение вероят ности того, что величина 2 превзойдет найденную по формуле (П 1.15) меру расхождения.

Если известен закон распределения отказов случайных вели чин, наработка на отказ, характеризующих надежности погруж ных электродвигателей, то можно вычислить доверительные ин тервалы характеристик надежности в зависимости от объема эксплуатационных данных и доверительной вероятности, по ко торой определены эти пределы.

Допустим, для параметра а получена из опыта (или по экс плуатационным данным) оценка а. При этом необходимо оце нить возможную ошибку. Для этого задают определенную высо кую (0,9;

0,95;

0,99) вероятность, такую, что события с веро ятностью можно считать достоверным, и определяют значе ние, которое должно удовлетворяться следующим равенством [96]:

(П 1.19) Р( а а ).

Здесь диапазон возможных значений ошибки, возникающей ~ при замене а на а равен. При этом равенство можно пере писать в виде:

~ ~ Р( а а а ). (П 1.20) Конкретные методы определения доверительных интервалов при заданной вероятности основаны на предположении о законе распределения исследуемой случайной величины. В зависимос ти от видов законов распределения имеются определенные ме тоды вычисления доверительных интервалов [101].

На основании разработанной методики определяются коли чественные показатели эксплуатационной надежности погруж ных электродвигателей (Приложение 3).

Приложение Результаты проверки согласия статистического закона распределения отказов с теоретическим погружного электродвигателя типа ПЭДВ 32-230 по критерию Пирсона gt'i- gto/ gt'i- gto (ni-NPi) Ф(U'p) gto gt'i NPi Ni' Pi i 1 3,0000 -0,5058 -1,4700 0,0708 0,0708 8,78 10 1,49 0, 2 3,3010 -0,2048 -0,5900 0,27760 0,2068 25,64 18 58,37 2, 3 3,4771 -0,0287 -0,0800 0,4681 0,1905 23,62 24 0,144 0, 4 3,6021 0,0963 0,2800 0,6103 0,1422 17,63 22 19,10 1, 5 3,6990 0,1932 0,5600 0,7123 0,1020 12,65 12 0,42 0, 6 3,8451 0,3393 0,9800 0,8365 0,1242 15,40 18 6,76 0, 7 3,9542 0,4484 1,3000 0,9032 0,0667 8,27 10 2,99 0, 8 4,1139 0,6981 1,7650 0,9608 0,0576 7,14 10 8,19 1, к 5, i K 5,519 по табл. [96] определяем При i 4,35...6,06 и Р 0,3...0,5 ;

табл.

Расчетная вероятность (Рр) определялась по интерполяционной формуле Лагранжа 96, 97:

2 2 2 расч 1 расч о 5,519 4, Р расч. 2 Ро 2 Р1 0, 2 6,06 4, о 1 1 о 5,519 6, 0,5 0,36323.

4,35 6, Приложение Результаты обработки экспериментальных данных по изменению пробивного напряжения изоляции обмоточного провода диаметром 5,41 мм gti Uпр.о.i· gti gti i Ti Uпр.о.i Uпр.т.i 1 0,1 -1 36 -36 1,0 36, 2 10 1 27,5 27,5 1,0 25, 3 20 1,301 23,9 31,0939 1,6926 24, 4 30 1,4771 23,85 32,2288 2,1818 23, 5 40 1,6021 22,75 36,4478 2,5667 22, 6 50 1,699 21,6 36,6984 2,8966 21, 7 60 1,7782 21,5 38,2313 3,1630 21, 8 70 1,8451 21,0 38,7471 3,4044 21, 9 80 1,9034 20,5 39,0197 3,6229 20, 10 90 1,9542 19,6 38,3023 3,8189 20, k K k U U lg t lg ti 285,2693;

238,2 ;

13,5601;

пр.о.i i np.o.i i i i k lg t 25,3359.

i i Составим уравнения:

k k АК n gt i U пр.о.i i 1 i k k k А gt n gt 2 i U пр.о.i gt i i 1 i i 1 i Подставляем значения расчетных параметров:

10. A 13,560n 238, 13,560. A 25,3359n 285, После вычисления получается, что А=31,1867 и n=-5,4301;

Уравнение имеет вид: U пр.Т.i 31,1837 5,4301gti.

Приложение Расчет параметров предложенных имитирующих нагревательных элементов Цель в этих расчетах – проверка возможности работы пред лагаемой конструкции нагревательных элементов в вышеуказан ных условиях эксплуатации, определение значения нагреватель ного сопротивления и его основных геометрических размеров.

Данные расчеты проведены по предлагаемой нами методике.

При этом в качестве исходных данных необходимо использо вать:

– основные конструктивные размеры нагревательных эле ментов (рис. П 6.1);

– значение тока нагревателя (Iнаг);

– температуру во внутренней полости нагревательных эле ментов (tBH);

– температуру и скорость воды, омывающей эти элементы (tнар.,).

Следует отметить, что основные конструктивные размеры нагревательных элементов выбраны с учетом размера позистора, который вставляют в их внутренние полости, условием их экс плуатации, возможностью применять в качестве температурных датчиков позисторы типа СТI4-IА или СТI4-IБ и производить необходимые регулировки, условиями размещения этих элемен тов в корпусе, механической прочностью и удобством обслужи вания. При создании нагревательных элементов следует стре миться к тому, чтобы расход материалов был минимальным [166, 167].

Так как значение тока нагревателя Iнагр. задается, то задача в данных расчетах в основном состоит в определении значения сопротивления нагревателя Rнагр., которое, в свою очередь, опре деляется по потребляемой мощности Рпотр, рассчитываемой для номинального режима по формуле Рпотр Рпол Ро.ср. Рк, (П 6.1) где Рпол. – полезная мощность, затрачиваемая на нагрев воз духа, наполняющего внутреннюю полость нагре вательного элемента, Вт;

Ро.ср.- мощность, идущая на восполнение тепловых по терь в окружающую среду, Вт;

Рк– мощность, затрачиваемая на нагрев собственной конструкции нагревательного элемента, Вт.

Н= Но= H o = d1= 5, d2 = 9, d6 = 10, d3 = d4 = d5= Рис. П 6.1. Конструктивные размеры нагревательного элемента Следует отметить, что для нагревательных элементов номи нальный режим работы является установившимся режимом, ког да температура воздуха во внутренней полости и в собственной конструкции нагревательного элемента во времени не изменяет ся, то есть Рпол Рк 0 и потребляемая мощность определяется мощ ностью тепловых потерь Рпотр Ро.ср. (П 6.2) Их определяем из следующих соображений. С одной сторо ны, рассматриваем кольцевую полость, содержащую нагрева тельное сопротивление и заполненную электроизоляционным наполнителем, как цилиндрическое тело с внутренними источ никами тепла с геометрическими размерами d2, d3, Н о (рис.П 6.1). Тогда можно рассчитывать перепад температур в таких те лах. При этом необходимо учесть тот факт, что теплота отводит ся только через наружную поверхность [167, 168]:

Рпотр 1 d 2d t 2 t3 ( 1 2 2 2 n 3 ), (П 6.3) Н о 4 2 d3 d 2 d где t2 и t3 – температуры внутренней и наружной поверхнос тей стенки, С;

2 – коэффициент теплопроводности наполнителя, Вт/(мС).

С другой стороны, нам известны выражения для определе ния температур на пограничных поверхностях для данного мно гослойного цилиндра с высотой Н о [167…169]:

Po.cp. 1 d t3 t 4 n 23 d Ho Po.cp. 1 d t 4 t5 n 5 (П 6.4) H o 24 d Po.cp. t 5 t нар. H o нар. d где t3, t4, t5 и tнар – температуры соответствующих поверхнос тей стенки (рис. П6.1) и воды, омывающей нагревательный элемент, С;

3 и 4 – коэффициенты теплопроводности материалов на ружной трубки и тепловой изоляции, Вт/(мС);

нар– коэффициент теплоотдачи воды, омывающей нагре вательный элемент при заданной скорости, Вт/(м С).

Решая систему уравнений (П 6.4), определяем значение Ро.ср. d d 1 1 t 3 t нар n 4 n 5 ). (П6.5) ( Н о 23 d 3 24 d 4 нарd Учитывая, что t2 = tвн получаем выражение Ро.ср. 1 d t 2 t3 tвн t нар n ( Н о 2 3 d 3 (П6.6) d 1 n 5 ).

2 4 d 4 нар d Из выражений (П6.3) и (П6.6), с учетом (П6.2), определя ем Но Рпотр ( tвн tнар ), (П6.7) К где 2d 2 d 1 1 d К ( 1 2 2 2 n 3 n 4 2 d3 d 2 d 2 2 3 d d 1 n 5.

2 4 d 4 нар d С учетом конструктивных размеров (рис. П 6.1), значений коэффициентов 2, 3, 4, нар и температур tви и tнар определяем значение Рпотр для предложенного нагревательного элемента Рпотр = 9,92 Вт.

При этом, значения 3=1,04 Вт/(м С) и 4=0,46 Вт/(м С) взя ты из таблицы [169, 170], а 2 = 0,94 Вт/(м С), при t = 70C и П=40 %, определены из зависимости [168]:

10 2 1 2,5 10 (t 0,279 ), 0, П П где t – средняя температура наполнителя (периклаза), С;

П – пористость, %.

Значение нар 542 Вт /( м 2 С ) определено по формуле [170] N u e нар при в = 0,58 Вт/(м С) и значения критерия Нуссельта Nu=46,8, определяемого по формуле [170] Nu 0,67 Re2 P23.

Здесь критерий Рейнольдса в свою очередь определяется по формуле [171] Re, где – скорость воды, омывающей нагревательный элемент, м/час;

–характерный линейный размер поверхности теплооб мена, м. В данном случае = Н;

– кинематическая вязкость воды, м2/сек.

В данном случае, при = 110 м/час, =Н=0,05 м и =1,2·10- м /сек, значение Rе получается равным 1273. Здесь значение определено при Q=0,3 м3/час и S=0,00271 м2 по формуле [171] Q, S где Q – подача воды через внутреннюю полость корпуса наг ревательных элементов, м3/час;

S– площадь поперечного сочения потока воды во внутрен ней полости корпуса нагревательных элементов, м2.

Значение взято из таблицы [168, 169] при соответствую щей температуре воды t = 15C.

Значение критерия Прандля Рr взято из таблицы [169, 170], Рr = 7,5.

Значение температур tвн и tнар взяты соответственно равными 70С и 15С.

Следовательно, при значении тока нагревателя Iнаг. =3,40 А и Рпотр. = 9,92 Вт, определяем значение Rнагр по формуле Рпотр 9, Rнагр. 0,858 Ом.

I 11, нагр.

Таким образом, для каждого элемента значение нагреватель ного сопротивления Rнагр. следует взять равным около 0,86 Ом.

Зная значение Rнагр. можно определить диаметр (d) и длину ( ) проволочного нагревателя, изготовленного из реостатного сплава (=0,5 мкОм м), а также число витков спирали (n), рас стояние между витками (а) и шаг витка спирали (h).

Длину проволоки нагревательного сопротивления можно вычислить, исходя из следующей формулы 4нагр Rнагр нагр, (П 6.8) d S где нагр –удельное сопротивление материала нагревателя, Ом.м;

– активная длина проволоки сопротивления, м;



Pages:     | 1 | 2 || 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.