ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ САМОЗАПУСКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ СИСТЕМ МАШИННОГО ВОДОПОДЪЕМА

Мақолада насос станцияларидаэлектр двигателларни ўз-ўзидан ишга туширишдабеқарор жараёнлар тадқиқотлари натижаларикелтирилган. Насос агрегатининг асинхронэлектр юритмасининг ўз-ўзини ишга туширишҳолатидаги жараёнлар моделлаштирилиб, қайдэтилган ҳолатларда насос сув оқими, босим вақаршилик моментининг ўзгариши характерикўриб чиқилди.

УДК:621.313.333 DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.16961808

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ САМОЗАПУСКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ СИСТЕМ МАШИННОГО ВОДОПОДЪЕМА

профессор кафедры «Электротехники» Ташкентского Кудрат АБИДОВ государственного технического университета, д.т.н.

Аннотация. Приведены результаты натурных исследований неуста­ новившихся процессов при самозапуске электродвигателей на насосных станциях. Рассмотрено моделирование переходных процессов в режимах самозапуска асинхронного электропривода насосной установки с целью выявление характера изменения подачи, напора и момента сопротивления на валу насоса в отмеченных режимах.

Ключевые слова: самозапуск, насосная установка, насосная станция, система машинного водоподъема, погашениях напряжения, насосный агрегат, напорный трубопровод, силовое оборудование, электропривод, асинхронный двигатель, подача, номинальная мощность, математическая модель, рабочая характеристика насоса, гидромеханический процесс.

МАШИНАЛИ СУВ КЎТАРИШ ТИЗИМЛАРИДАГИ НАСОС СТАНЦИЯЛАРИ ЭЛЕКТР ДВИГАТЕЛЛАРИНИНГ ЎЗ-ЎЗИДАН ИШГА ТУШИШ РЕЖИМЛАРИНИ ОПТИМАЛЛАШТИРИШ Қудрат ОБИДОВ, Тошкент давлат техника университети “Электротехника” кафедраси профессори, т.ф.д. Аннотация. Мақолада насос станцияларида электр двигателларни ўз-ўзидан ишга туширишда беқарор жараёнлар тадқиқотлари натижалари келтирилган. Насос агрегатининг асинхрон электр юритмасининг ўз-ўзини ишга тушириш ҳолатидаги жараёнлар моделлаштирилиб, қайд этилган ҳолатларда насос сув оқими, босим ва қаршилик моментининг ўзгариши характери кўриб чиқилди.

Калит сўзлар: ўз-ўзидан ишга тушириш, насос агрегати, насос станцияси, машина сув кўтариш тизими, кучланишнинг ўчиши, насос агрегати, босимли қувур линияси, энергетика ускунаси, электр юритма, асинхрон двигател, босим, номинал қувват, математик модел, насоснинг ишлаш характеристикаси, гидромеханик жараён.

OPTIMIZATION OF SELF-START MODES OF ELECTRIC MOTORS OF PUMPING STATIONS OF MACHINE WATER LIFTING SYSTEMS Qudrat ABIDOV, Professor of the Department of Electrical Engineering of Tashkent State Technical University, Doctor of Engineering Abstract. The article presents the results of field studies of unsteady processes during self-starting of electric motors at pumping stations. The article considers the modeling of transient processes in the modes of self-starting of an asynchronous electric drive of a pumping unit in order to identify the nature of changes in the flow rate, pressure, and resistance torque on the pump shaft in the above modes.

Keywords: self-starting, pumping unit, pumping station, machine water lifting system, voltage suppression, pump unit, pressure pipeline, power equipment, electric drive, asynchronous motor, flow rate, rated power, mathematical model, pump operating characteristic, hydromechanical process.

O‘ZBEKGIDROENERGETIKA PRINT ISSN 3060-4672 78 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER VOLUME 8 | ISSUE 2 | 2025

Современные потребности отраслей экономики Республики Узбекистан в энергетических ресурсах имеют тенденцию к постоянному росту. Ввод в эксплуатацию новых энергетических объектов, способных покрывать все возрастающие потребности в электроэнергии, требуют вложения в их строительство значительных капитальных ресурсов. Поэтому в республике, так же как и в развитых зарубежных странах, на первый план выдвигается проблема получения прироста электроэнергии за счет ее рационального использования путем разработки и внедрения энергосберегающих технологий в различных отраслях экономики.

Современные насосные станции систем машинного водоподъема имеют взаимосвязанные конструктивные, технологические и электрические параметры, определяющие значение показателей режимов ее работы. Их можно рассматривать как многокритериальную систему. Однако гидросиловое оборудование насосных станций и недостаточный уровень автоматизации не позволяют решать вопросы оптимизации такой системы.

К особенностям насосных установок с точки зрения условий работы электропривода можно отнести зависимость момента нагрузки на валу от частоты вращения, длительный режим работы, достаточно тяжелые климатические условия эксплуатации, вероятностная возможность возникновения потери привода и обратного угона, отсутствие перегрузок в рабочем режиме.

Решение вопроса самозапуска электродвигателей насосных установок имеет весьма важное значение для недопущения массового отключения потребителей и обеспечения бесперебойной работы современных крупных насосных станций при кратковременных нарушениях электроснабжения. Успешное осуществление самозапуска электродвигателей ответственных механизмов после кратковременного перерыва электрического питания и глубокого понижения напряжения позволит снизить до минимума ущерб и обеспечить надежную работу станции [1, 39-с].

Исследование основных характеристик процессов самозапуска электродвигателей насосных установок удобно и экономично проводить путем математических моделей на ЭВМ [2, 99-с; 3, 16-с] с учетом изменения исходных параметров. Натурные исследования процесса самозапуска электродвигателей более трудоемки и дорогостоящи, тем не менее, они необходимы для оценки достоверности принятой математической модели. В связи с этим в данной работе приводятся результаты выполненных натурных исследований неустановившихся процессов при самозапуске электродвигателей на насосных станциях.

Для решения вопроса самозапуска были проведены опыты на типо­вых насосных станциях Аму-Занг 1-й очереди 2-го подъёма Сурхандарьинской области Республики Узбекистан, где установлены асинхронные электродвигатели типа ДАЗО-15-59-ЮУ1, UH=6кВ, Pн=630кВт,nн=595 об/мин, Iн=80 А.

PRINT ISSN 3060-4672 O‘ZBEKGIDROENERGETIKA

VOLUME 8 | ISSUE 2 | 2025 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER

На этих станциях при кратковременных погашениях напряжения все 16 двигателей отключаются релейной защитой. Задвижки не закрываются, и насосные установки работают в угонном режиме. Это отрицательно влияет на многие узлы агрегатов (выходят из строя сальниковые набивки, расслабляются крепежные узлы и т.п), что приводит к большим затратам времени и материальных средств на восстановление рабочего состояния агрегатов.

Эксперименты проводились на одной насосной установке № 11 при различных значениях выдержки времени, которая менялась в пределах 1,5— 14,5 с. Осциллографировались частота вращения на валу насоса, ток статора, время выбега и время самозапуска. Данные обработки осциллограмм самозапуска электродвигателя ДАЗО приведены в табл.1.

nн=595 об/мин, tотк,с tсам, с nсам,об/мин Iсам, А Iн=80 А. 1 1,5 0,4 379 573 2 2,2 0,56 333 640 3 7,5 1,04 153 660 4 11,5 1,16 117 680 5 14,5 1,5 54 693

Рассматриваемая насосная станция состоит из 16 насосов типа 24НДС и асинхронных двигателей типа ДАЗО. Все двигатели насосной станции получают питание от одной подстанции. Из осциллограммы видно, что кратность пускового тока и продолжительность самозапуска растет с увеличением времени погашения напряжения. Осциллограммы процесса самозапуска для времени перерыва 1,5 и 2,2 с приведены на рис.1.

Хотя на этих установках стоят обратные клапаны, увеличение времени выдержки приводит к повышению кратности пускового тока и длительности пуска. Было согласовано повторное включение масляного выключателя на вводе подстанции трансформатора Т1, которое составляет 1,5 с, с учетом этого установлено время задержки устройства самозапуска 2 с.

В ходе эксперимента был проведен опыт самозапуска на открытую задвижку. Процесс самозапуска насосной установки № 6 проводился при перерыве питания t0TK= 2,2 с. Время самозапуска tсам=2,4 с. Скачок тока при самозапуске составлял 6,3Iном. Частота вращения в момент самозапуска составляет nсам=380 об/мин. Продолжительность переходного процесса от момента погашения напряжения составляет 4,6 с. Максимальное значение

O‘ZBEKGIDROENERGETIKA PRINT ISSN 3060-4672 80 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER VOLUME 8 | ISSUE 2 | 2025

давления при самозапуске на напорном трубопроводе составляет 1,6 Hном. При самозапуске пульсация давления на напорном трубопроводе устанавливается за 7,3 с. Кроме агрегата № 6 испытания проводились на агрегатах № 1,2,4,9 результаты которых приведены в табл. 2.

Рис.1. Самозапуск асинхронного двигателя ДАЗО-15-59-10У1.

Испытуемая nсам,об/мин I*сам tотк, с tсам,с H* насосная установка №6 380 6,3 2,2 2,4 1,6 №6 190 6,4 4,5 3,5 1,6 №1 480 5,5 1,2 1,5 №2 467 5,9 1,3 1,7 №4 380 6,3 2,2 2,4 №9 190 6,4 4,8 4,1 *Кратное от номинального значения

PRINT ISSN 3060-4672 O‘ZBEKGIDROENERGETIKA

VOLUME 8 | ISSUE 2 | 2025 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER

Для экспериментального исследования процесса самозапуска насос­ ной установки, а также для выяснения характера протекания гидромехани­ ческих и электромеханических процессов был создан лабораторный стенд с насосом 1,5К-6 и электродвигателем КАМ-30. Осциллограммы самозапуска электродвигателя насосной установки представлены на рис.2, а данные соответствующие экспериментальному исследованию в табл.З.

Рис.2. Осциллограмма самозапуска на лабораторном стенде.

Режим tотк,с tсам,с n сам.крат Iном.крат Нном.крат Qном.крат Пуск на - 0,25 - 6,75 2,9 - закрытую задвижку Самозапуск 1,2 0,2 0,35 6 1,9 1,25 Самозапуск 1,7 0,3 0,3 6,25 1,75 1,3 Самозапуск 3,3 0,32 0,04 6,33 1,8 1,17 Самозапуск 16,7 0,4 0,3 0,4 1,8 1 из турбинного обр. режима угон

Значение напора гидравлического удара получается меньше манометрического напора насоса, развиваемого при работе его на закрытую задвижку. Это объясняется тем, что гидравлическое сопротивление в насосной установке при самозапуске изменяется не мгновенно. Оно

O‘ZBEKGIDROENERGETIKA PRINT ISSN 3060-4672 82 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER VOLUME 8 | ISSUE 2 | 2025

зависит от значения запускаемой частоты вращения агрегата. Поэтому гидравлический удар получается неполный. В экспериментальной установке длина напорного трубопровода относительно короткая, при самозапуске скорость течения жидкости изменяется медленно.

В данной работе также рассматривается моделирование переходных процессов в режимах самозапуска асинхронного электропривода насосной установки с целью выявления характера изменения подачи, напора и момента сопротивления на валу насоса в отмеченных режимах. В этих режимах протекают гидравлические, механические, электромагнитные переходные процессы. Результаты исследования показывают, что гидромеханическая постоянная времени значительно больше электромагнитной. Поэтому электромагнитная постоянная времени обмоток асинхронного двигателя в режиме самозапуска не учитывается.

Гидравлический переходный процесс, учитывающий упругость воды и стенок напорных водоводов, можно описать в форме [4, 88-с], где зависимость между изменением давления и скорости движения воды в трубопроводе определяется формулой:

Процесс гидравлического удара имеет волновой характер и описы­ вается дифференциальными уравнениями в частных производных:

 ∂ϑ ∂H − ∂t = g − ∂x   ∂ϑ = g ∂H (2)  ∂x a 2 ∂t

Í = Í 0 + ϕ −ψ ; g ϑ = ϑ0 − (ϕ − ψ ), (3) a

где Н — напор; ϑ — скорость движения воды в трубопроводе; t — время, с момента возникновения гидравлического удара; a — скорость распространения ударных волн; g — ускорение силы тяжести; х — расстояние от начала координат; φ — эквивалентные волны повышения давления; ψ — эквивалентные волны понижения давления.

Кроме того, гидравлический переходный процесс описывается урав­ нением неустановившегося движения несжимаемой жидкости:

PRINT ISSN 3060-4672 O‘ZBEKGIDROENERGETIKA

VOLUME 8 | ISSUE 2 | 2025 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER

где H — напор насоса; НГ — геометрический напор; hи — инерционный напор; hи + hL потери напора.

Уравнение механического переходного процесса описывается урав­ нением движения агрегата при неустановившемся режиме:

где Мэл–эл. вращающии момент двигателя, определяется по пусковой характеристике двигателя; МГ— гидравлический момент насоса; МТ — момент, затрачиваемый на трение в сальниках и подшипниках агрегата.

Вращающий момент асинхронного двигателя определяется известным выражением [5, 10-с]:

где приведенный ток ротора; — приведенное активное сопротивление ротора; ω0 — синхронная угловая скорость двигателя; S — скольжение двигателя.

Для определения гидравлического момента Мг используется четырёх квадратная характеристика насоса в виде зависимостей между приведёнными расходом Q , частотой вращения n,гидравлического момента М:

Самозапуск будет успешным в том случае, если двигатель разгоняется после восстановления напряжения до номинальной скорости и при этом соблюдаются следующие условия: 1) нормальное напряжение в рабочем колесе насоса; 2) нагрев обмоток электродвигателя в нормальном уровне;

O‘ZBEKGIDROENERGETIKA PRINT ISSN 3060-4672 84 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER VOLUME 8 | ISSUE 2 | 2025

3) вращающий момент двигателя обеспечивает разгон двигателя до номинальной скорости; 4) допустимое значение давления в трубопроводах.

Математически моделируя процесс самозапуска и задавая с различным интервалом времени продолжительность перерыва питания, определяем предельную продолжительность, при которой невозможен самозапуск. В этом случае перестает выполняться одно из условий успешного самозапуска. Зная это время можно правильно настроить режим работы автоматики при восстановлении напряжения. Для точного определения предельного времени перерыва необходимо имитировать моделирование самозапуска, учитывая все принятые условия.

На основании приведенных уравнений и указаний [5, 10-с; 6,103-с; 7-85- с;] разработан алгоритм и программа расчета на ЭВМ рассматриваемой задачи. По этой программе рассчитываются критерии для оценки успешности самозапуска насосного агрегата при повторном включении после кратковременного перерыва питания.

Первый — момент отключения электродвигателя и выбег агрегата до заданной скорости, которая определяется временем перерыва питания.

Второй — момент включения двигателя в сеть и разгон до номинальной скорости.

На каждом этапе изменения напора, расхода и частоты вращения насоса во времени определяются подбором параметров.

На рис.3 приведена характеристика процесса при интервале перерыва tотк= 2 с, построенная по расчетным данным H=f{t), Q= f{t), n=f{t), М=f{t) для асинхронного электродвигателя типа ДАЗО-15-59-10У1, UH = 6 кВ, Рн = 630 кВт, n = 595 об/мин, Iн = 80 А и центробежного насоса типа 24НДС [8, 22-с; 9-11 с]. В момент отключения двигателя Мэл мгновенно падает до нуля. Гидравлический момент сопротивления насосной установки Мг и момент трения Мг, показанные как М во временной диаграмме, сохраняются. Это приводит к снижению частоты вращения п насоса и развиваемого напора Н, из-за него уменьшается подача Q. Хотя параметры п, Н, Q уменьшаются, но режим агрегата сохраняется «насосным». В этом интервале времени при включении электродвигателя начинается второй этап, самозапуск. Под действием вращающего момента Мэл двигателя происходит разгон насосной установки до установившегося режима.

Результаты натурных исследований и моделирования на ЭВМ по скоростным параметрам n (рис.1 и рис.З) совпадают.

PRINT ISSN 3060-4672 O‘ZBEKGIDROENERGETIKA

VOLUME 8 | ISSUE 2 | 2025 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER

Рис.3. Результаты расчета самозапуска tотк=2 с.

На рис.4 приведена характеристика переходного процесса самозапуска при интервале перерыва tотк= 5 с. Насосная установка, работающая в установившемся режиме, отключена от сети — это первый этап расчета и вращающий момент двигателя Мэл мгновенно падает до нуля, а гидравлический момент сопротивления насосной установки МГ и момент трения МТ сохраняются. Это приводит к снижению частоты вращения n насоса и развиваемого напора H, из-за чего уменьшается подача Q. В точке б (рис.4) частота вращения снижается настолько, что подача насоса становится равной нулю, затем начинается движение воды по водоводам и через рабочее колесо из верхнего бьефа в нижний, т.е. в турбинном направлении. Но на правление вращения сохраняется «насосным». Так как в этом режиме пропускная способность насосной установки резко падает, повышаются давление в спиральной камере, напор Н, гидравлический момент Мг. В точке с происходит включение электродвигателя — начинается второй этап. Под действием вращающего момента Мэл двигателя происходит разгон насосного агрегата до установившегося режима. С точки с разница Мэл— Мг—Мт=МДИН создает динамический ускоряющий момент, под действием которого подача насоса замедляется и начинает уменьшаться в «турбинном» режиме.

O‘ZBEKGIDROENERGETIKA PRINT ISSN 3060-4672 86 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER VOLUME 8 | ISSUE 2 | 2025

Рис.4. Результаты расчета самозапуска tотк=5 с.

Происходит резкое повышение давления Н, в точке в преобладают МГ, Мт и Мдин становится отрицательным, ускорение насосного агрегата в этой точке резко замедляется. Затем Мэл преобладает и скорость насосного агрегата доходит до номинального уровня, при этом Мдин=0. В промежутке с-в на кривой напора наблюдается процесс увеличения напора, имеющий волновой характер, что объясняется действием прямой волны гидравлического удара в напорном трубопроводе.

1. Время срабатывания АПВ электрической сети для самозапуска определяется из режима выбега конкретно заданной насосной установки, при этом необходим контроль восстанавливающегося напряжения до значения, обеспечивающего успешный самозапуск.

2. Система самозапуска электродвигателей должна учитывать технологические ограничения, действия технологических защит и автоматики восстановления работы вспомогательных механизмов. При проектировании и определении условий их эксплуатации необходимо учитывать влияние различного вида переходных процессов, особенно вызываемых сбросами нагрузки и отключением привода.

3. Составлен алгоритм расчета режима самозапуска насосной установки с асинхронным электроприводом.

PRINT ISSN 3060-4672 O‘ZBEKGIDROENERGETIKA

VOLUME 8 | ISSUE 2 | 2025 УЗБЕKГИДРОЭНЕРГЕТИКА UZBEKHYDROPOWER