UNIVERZA V MARIBORU - core.ac.uk · Ključne besede: črpalka, asinhronski elektromotor, frekvenčni pretvornik, frekvenčno krmiljen asinhronski elektromotor, meritev karakteristik,

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Borut PRICA

MERILNA PROGA S FREKVENČNO

REGULIRANIM ELEKTROMOTORJEM ZA

ČRPALNE SISTEME

Diplomsko delo

visokošolskega strokovnega študijskega programa 1. stopnje

Strojništvo

Maribor, april 2013

- II -

MERILNA PROGA S FREKVENČNO

REGULIRANIM ELEKTROMOTORJEM ZA

ČRPALNE SISTEME

Diplomsko delo

Študent: Borut PRICA

Študijski program: Visokošolski strokovni študijski program 1. stopnje

Strojništvo

Smer: Energetsko, procesno in okoljsko strojništvo

Mentor: doc. dr. Mitja KASTREVC

Somentor: doc. dr. Ignacijo BILUŠ

Maribor, april 2013

- III -

- IV -

I Z J A V A

Podpisani Borut Prica izjavljam, da:

je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom

doc. dr. Mitja Kastrevca in somentorstvom doc. dr. Ignacija Biluša,

predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi,

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru.

Maribor, __________________ Podpis: __________________________

- V -

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Mitji Kastrevcu in

somentorju doc. dr. Ignaciju Bilušu za pomoč in

vodenje pri opravljanju diplomskega dela.

Še posebej se zahvaljujem svoji družini za podporo,

razumevanje in spodbujanje v času študija.

- VI -

MERILNA PROGA S FREKVENČNO REGULIRANIM

ELEKTROMOTORJEM ZA ČRPALNE SISTEME

Ključne besede: črpalka, asinhronski elektromotor, frekvenčni pretvornik, frekvenčno

krmiljen asinhronski elektromotor, meritev karakteristik, ultrazvočni merilnik pretoka, črpalni

sistem, regulacija tlaka, hitrosti, pretoka in vrtilna frekvenca.

UDK: 621.52:534.63(043.2)

POVZETEK

V nalogi je raziskana možnost uporabe črpalnega sistema, ki mu je na pogonski strani dodan

frekvenčni pretvornik. Izgrajeno je preizkuševališče z možnostjo simulacije vklopa in izklopa

različnih uporabnikov. Izmerjene so bile karakteristične vrednosti sistema pri različnih

vrednostih vrtilne hitrosti pogonskega stroja in pri spreminjanju velikosti potrošnika. Meritve

so bile opravljene z uporabo klasičnih merilnikov tlaka in z zveznim merilnikom tlaka za

potrebe dinamičnih odzivov. Merjenje pretoka je bilo izvedeno z ultrazvočnim merilnikom

pretoka. Poleg statičnih karakteristik sistema so bile izvedene meritve z simulacijo

spremembe vodilne veličine in vklopa oziroma izklopa potrošnikov, kot motilne veličine.

Preizkušen je bil tudi sistem točkovnega nastavljanja želene veličine in s tem možnost

daljinskega diskretnega krmiljenja.

Naloga je pokazala, da sodobni pristopi uporabe frekvenčno reguliranih pogonov omogočajo

tudi delno obnovljenim obstoječim črpalnim sistemom dogradnjo in s tem izboljšanje

učinkovitosti sistema in energetskih prihrankov.

- VII -

MEASURING RIG FREQUENCY REGULATED ELECTRO MOTOR

FOR PUMPING SYSTEMS

Key words: pump, induction motor, frequency converter, frequency-controlled induction

motor, ultrasonic flow meter, measurement of characteristics, pumping system, pressure,

speed, flow and rotational frequency control.

UDK: 621.52:534.63(043.2)

ABSTRACT

Presented work shows possible usage of pump system with added frequency converter on

drive side. The experimental rig was built for simulation purpose due switching on/off users.

The characteristics values of system were obtained by different values of rotation speed of

electromotor drive with possibility of different consumers. For pressure measurement the

classical manometers and electronically manometers were used. For flow measurement an

ultrasonic flow meter was used. With classical measurement the measurement of simulated

reference values changes and on-off switching of consumers as disturbance value was

obtained. Also discrete switching system was tested due possible usage of discrete remote

control.

Work shows possibilities of renewed pump systems with added frequency controlled drive and

with this adaption effects in field of efficiency of the systems and possible energy savings.

- VIII -

KAZALO

1 UVOD ............................................................................................................................. 1

1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela .................................................................... 1

1.2 Struktura diplomskega dela ............................................................................................ 2

2 OPREDELITEV CILJEV DIPLOMSKEGA DELA ................................................ 3

3 MATEMATIČNE OSNOVE ....................................................................................... 4

3.1 Matematični opis črpalnega dela in izračun izgub cevovoda ......................................... 4

3.1.1 Linijske izgube [19] ........................................................................................................ 5

3.1.2 Lokalne izgube [19] ........................................................................................................ 6

3.2 Izračun linijskih in lokalnih izgub .................................................................................. 7

3.3 Osnove za določitev pogonskega dela črpalnega agregata ............................................. 8

3.3.1 Osnove pogonske tehnike [6] ......................................................................................... 8

3.3.2 Pogonska moč črpalke [6] ............................................................................................ 10

3.3.3 Bremenske karakteristike pri spremenljivi vrtilni hitrosti [6] ...................................... 10

3.3.4 Asinhronski motor ........................................................................................................ 14

3.3.4.1 Delovanje asinhronega motorja ............................................................................... 17

3.3.4.2 Karakteristična krivulja asinhronskega elektromotorja ........................................... 18

3.3.4.3 Karakteristična preizkusa ......................................................................................... 19

3.3.4.3.1 Preizkus prostega teka [3] ........................................................................................ 19

3.3.4.3.2 Preizkus kratkega stika [3] ....................................................................................... 20

3.3.5 Dinamično obnašanje asinhronskega motorja – matematični model [4] ...................... 21

3.3.6 Močnostni del sistema – Frekvenčni pretvornik ........................................................... 25

3.3.6.1 Frekvenčni pretvornik SJ100 ................................................................................... 29

3.3.6.1.2 Priključitev črpalke in frekvenčnega pretvornika .................................................... 30

4 OPIS PREIZKUŠEVALIŠČA ................................................................................... 33

4.1 Opis merilne proge ....................................................................................................... 33

4.1.1 Hidravlični del - cevno omrežje in vgrajeni sestavni deli ............................................ 33

4.1.1.1 Sesalna stran merilne proge ..................................................................................... 35

4.1.1.2 Tlačna stran merilne proge ....................................................................................... 36

4.1.2 Pogonski del merilne proge .......................................................................................... 38

- IX -

4.1.2.1 Vertikalna večstopenjska črpalka Grundfus CR4-100 z vgrajenim asinhronskim

motorjem .................................................................................................................. 38

4.1.2.2 Pogonski sistem........................................................................................................ 41

4.1.3 Merilni del merilne proge ............................................................................................. 42

4.1.3.1 Ultrazvočni merilnik pretoka [18] ............................................................................ 42

4.1.3.2 Merilniki tlaka uporabljeni v merilni progi.............................................................. 43

4.1.3.3 Laserski merilnik vrtilne hitrosti .............................................................................. 45

5 MERITVE ................................................................................................................... 46

5.1 Izvedba statičnih meritev .............................................................................................. 46

5.2 Izvedba dinamičnih meritev ......................................................................................... 48

5.2.1 Sklop preizkusov I ........................................................................................................ 49

5.2.2 Sklop preizkusov II ....................................................................................................... 51

5.2.3 Sklop preizkusov III ..................................................................................................... 52

6 ZAKLJUČEK IN KOMENTAR ............................................................................... 54

7 VIRI IN LITERATURA ............................................................................................ 55

8 PRILOGE .................................................................................................................... 56

- X -

KAZALO SLIK

Slika 3.1: Tokovne razmere na vstopu v vodnik [19]................................................................. 5

Slika 3.2: Poenostavljen shematski prikaz cevnega omrežja z vejo A in vejo B ....................... 7

Slika 3.3: Blokovna shema elektromotorskega pogona [6] ........................................................ 9

Slika 3.4: Bremenske karakteristike delovnih strojev [6]......................................................... 11

Slika 3.5: Stator brez ohišja levo in v ohišju desno [14] .......................................................... 14

Slika 3.6: Rotor fiksiran na gred motorja [14] ......................................................................... 15

Slika 3.7: Kratkostična rotorska kletka [14] ............................................................................. 15

Slika 3.8: Prikaz faze navitja in število polov [14] .................................................................. 15

Slika 3.9: Sestavni deli asinhronskega elektromotorja MG 100 [15] ....................................... 16

Slika 3.10: Shematičen prikaz slipa [14] .................................................................................. 17

Slika 3.11: Primer diagrama odvisnosti vrtilne hitrosti in momenta kjer je: ............................ 18

Slika 3.12: Prikaz merilne vezave instrumentov [3]................................................................. 19

Slika 3.13: Prikazuje merilno vezavo pri preizkusu kratkega stika [3] .................................... 20

Slika 3.14: Prikaz merilne naprave vezava, originalna slika iz navodil SJ 100 [17] ............... 20

Slika 3.15: Blokovna shema simulacijskega modela asinhronskega motorja [4] .................... 21

Slika 3.16: Nadomestna shema asinhronskega motorja s kratkostično kletko [4] ................... 21

Slika 3.17: Blokovna shema lineariziranega modela asinhronega motorja [4] ........................ 22

Slika 3.18: Idealiziran model trifaznega asinhronega motorja [4] ........................................... 23

Slika 3.19: Razmerja med koordinatnim sistemom abc in sistemom qd0 [4] .......................... 24

Slika 3.20: Shema pogona elektromotorja s pomočjo krmilnika [3] ........................................ 25

Slika 3.21: Odprto zančna nastavitev vrtilne hitrosti [3] .......................................................... 28

Slika 3.22: Frekvenčni pretvornik Hitachi SJ100 [8] ............................................................... 29

Slika 3.23: Specifikacija kanalov oziroma priklopnih sponk [17] ........................................... 30

- XI -

Slika 3.24: Prikaz priklopnih kanalov oziroma sponk [17] ...................................................... 30

Slika 3.25: Priključitev elektromotorja na frekvenčni pretvornik [10] .................................... 31

Slika 3.26: Priključitev po navodilih proizvajalca frekvenčnega pretvornika (levo) in

shematski prikaz razporeditve priključnih sponk vezave zvezda [12] ............................. 31

Slika 3.27: Prikaz priključitve motorja in frekvenčnega pretvornika ....................................... 31

Slika 3.28: Priključitev zunanjih stikal po vezalni shemi proizvajalca [10] ............................ 32

Slika 4.1: Prikaz celotne dejanske merilne proge ..................................................................... 33

Slika 4.2: Shematski prikaz celotne merilne proge .................................................................. 34

Slika 4.3: Poenostavljen shematski prikaz cevnega omrežja z vejo A in vejo B ..................... 34

Slika 4.4a,b: Prikazuje sestavne dele sesalne strani ................................................................. 35

Slika 4.5a,b: Prvi manometer na tlačni strani (levo), prvi tlačni senzor na tlačni strani (desno)

.......................................................................................................................................... 36

Slika 4.6: Ultrazvočni merilnik pretoka ................................................................................... 36

Slika 4.7: Kontrolni manometer na tlačni strani ....................................................................... 37

Slika 4.8: Vodomer, drugi tlačni senzor in sedežni ventil ........................................................ 37

Slika 4.9: Veja B, sedežni ventil za simulacijo potrošnikov .................................................... 38

Slika 4.10: Vertikalna večstopenjska centrifugalna črpalka Grundfos z oznako CR4-100 [11]

.......................................................................................................................................... 39

Slika 4.11: Območje delovanja črpalke CR4-100, umeščene v merilno progo [11] ................ 39

Slika 4.12: Črpalka Grundfos CR4-100 z vgrajenim asinhronskim motorjem ........................ 40

Slika 4.13: Prikazuje črpalko v prerezu s sestavnimi deli (levo) in opisom na desni strani [11]

.......................................................................................................................................... 40

Slika 4.14: Ultrazvočni merilnik pretoka Fuji Portaflow X ..................................................... 42

Slika 4.15: Shematski prikaz segmentov ultrazvočnega merilnika pretoka Fuji Portaflow [18]

.......................................................................................................................................... 43

Slika 4.16: Shema merilnika tlaka ............................................................................................ 43

Slika 4.17: Podtlačni merilnik tlaka od -1 bar do 0 bar ............................................................ 44

- XII -

Slika 4.18: Nadtlačni merilnik tlaka od 0 bar do 10 bar ........................................................... 44

Slika 4.19: Nadtlačni merilnik tlaka od 0 bar do 25 bar ........................................................... 44

Slika 4.20: Nadtlačni elektronski senzor od 0 bar do 40 bar .................................................... 45

Slika 4.21:Odsevnik na gredi motorja in laserski merilnik vrtilne hitrosti .............................. 45

Slika 5.1: Sliki prikazujeta dejansko merilno progo................................................................. 46

Slika 5.2: Potek tlaka in pretoka pri skoku vrtilne hitrosti iz mirovanja 0 Hz na 50 Hz .......... 49


Slika 5.4: Potek tlaka in pretoka pri skoku vrtilna hitrosti iz mirovanja 0 Hz na 30 Hz .......... 50


Slika 8.1: Oštevilčen prikaz sestavnih členov merilne proge, ki povzročajo lokalne izgube... 56

Slika 8.2: Skicirane mere črpalke in električni podatki [14] .................................................... 59

Slika 8.3: Izbira lokacije namestitve merilne letve (detektorja) ultrazvočnega merilnika [18] 60

Slika 8.4: Pravilna namestitev detektorja ultrazvočnega merilnika [18] .................................. 61

Slika 8.5: Območje namestitve detektorja ultrazvočnega merilnika [18] ................................ 61

Slika 8.6: Prikaz pravilne namestitve detektorja ultrazvočnega merilnika [18] ....................... 61

- XIII -

KAZALO PREGLEDNIC

Preglednica 1: Rezultati statičnih meritev pri vrtilni hitrosti 60 Hz ......................................... 47

Preglednica 2: Izmerjene vrtilne hitrosti in nastavljene frekvence........................................... 48

Preglednica 3: Izračun linijskih in lokalnih izgub merilne proge v Excel-u ............................ 56

Preglednica 4: Rezultati meritev pri vrtilni hitrosti 20 Hz ....................................................... 62






- XIV -

KAZALO DIAGRAMOV

Diagram 1: Realne bremenske karakteristike [6] ..................................................................... 13

Diagram 2: Prikaz gibanja: hitrost, pozicija in navor [13] ....................................................... 26

Diagram 3: Delovanje PŠM, prikaz vhodnih in izhodnih napetosti [13] ................................. 26

Diagram 4: Preklapljanje nastavljivih vrtilnih hitrosti [10]...................................................... 32

Diagram 5: Prikaz dobljenih rezultatov pri različnih vrtilnih frekvencah, tlakih in pretokih .. 47

- XV -

UPORABLJENI SIMBOLI

pretočna površina

c hitrost

premer

D premer vodnika

hidravlični premer

F sila

g težnostni pospešek

izgube mehanske energije

Hn nominalna tlačna višina

Hx trenutna tlačna višina

dolžina

ekvivalentna dolžina ravne cevi

vstopna dolžina

zagonski moment

omahni moment

nazivni moment

sinhronska vrtilna hitrost

vrtilna hitrost rotorja

nazivna vrtilna hitrost motorja

nx trenutna vrtilna hitrost motorja

nazivni izkoristek

trenutna vrednost izkoristka

o omočeni obseg

- XVI -

r radialna koordinat

Reynoldsovo število

hitrost

povprečna hitrost po prerezu cevi

volumenski pretok

Q pretok

n volumski nazivni pretok

Qx trenutni pretok

tlak okolice

tlačna razlika

potencialna razlika

specifično delo črpalke na enoto mase

izgube v vodniku na sesalni strani

izgube v vodniku na tlačni strani

ρ gostota

relativna hrapavost

koeficient lokalnih izgub

x vstopna dolžina

koeficient linijskih izgub

- XVII -

UPORABLJENE KRATICE

AC Izmenični tok

EM Elektromotor

EN Evropski standard

M Motor

PLC Programable logic controller – programamobilni krmilniki

PŠM Pulzno širinski modulator

∑ Vsota

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 1 -

1 UVOD

V obdobju nenehnega zavedanja o smotrni rabi energije je varčevanje z energijo del vsakega

projekta. Energetska učinkovitost je posebej pomembna zlasti tedaj, ko je potrebno za

energetski sistem zaradi njegove izrabljenosti ali visokih vzdrževalnih stroškov, sprejeti

odločitev o nadaljnjih ukrepih. Odločitev, ali izvesti remont obstoječega sistema, ali zamenjati

posamezne komponente, je (glede na velikost sistema in njegovo dotrajanost) običajno

prepuščena investitorjem oz. ekonomistom, ki se odločajo s stroškovnega vidika, na podlagi

predlogov, ki jih pripravijo strokovnjaki za tehnična področja.

S to diplomsko nalogo bomo preučili možnosti uporabe frekvenčne regulacije elektromotorja

za pogon črpalnega sistema s konvencionalno črpalko in tako ugotovili, ali je možno z

nadgradnjo obstoječega sistema črpalko prilagoditi novi, spremenjeni karakteristiki cevovoda

oziroma porabnikov. Za izvedbo eksperimentalnega dela bomo v okviru diplomske naloge

izdelali laboratorijsko merilno progo v katero bo priključena večstopenjska črpalka

proizvajalca Grundfos, gnana s trifaznim asinhronskim motorjem.

1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela

Najprej je bilo potrebno pregledati in se seznaniti s stanjem na tržišču in predvsem možnostmi

uporabe tovrstnih sistemov. Pozanimali smo se o uporabi črpalnih sistemov, ki jih proizvajalci

običajno delijo na hišne ter sisteme za večstanovanjske in industrijske objekte.

Pri sistemih za dom se srečamo tako s črpalnimi sistemi za toplo vodo (ogrevanje), sanitarno

in pitno vodo, ter sistemi za prečrpavanje odpadnih ali meteornih vod. Osredotočili se bomo

bolj na črpalne sisteme za oskrbo s sanitarno in pitno vodo. Ti so v manjših objektih

namenjeni predvsem za stalno oskrbo, pogosto na samostojnih virih pitne vode (studenci). Na

voljo so sistemi z maksimalno sesalno višino do 55 m ter maksimalnim pretokom do 8 m3/h.

Prav tako pa smo zasledil tudi sisteme z 'Variable speed booster system' (sistem s možnostjo

spreminjanja vrtilne hitrosti) z maksimalno sesalno višino do 50 m ter maksimalnim pretokom

do 12 m3/h.

Podobno velja tudi za večstanovanjske stavbe, kjer so ključni parametri uporabe tovrstnih

sistemov odvisni predvsem od samih potrošnikov, njihovih vklopov in izklopov. Prav zato

proizvajalec Grundfos (E-solutions with Grundfos E-pumps- brošura- E-gradivo) navaja, da

se zaradi tovrstnih sprememb ob uporabi črpalnih sistemov z variabilno hitrostjo znižamo


- 2 -

porabo energije na 85% klasičnega sistema, v nekaterih primerih pa je ta prihranek tudi do

50%. Proizvajalec navaja nekatera dejstva, ki govorijo v prid tovrstnim rešitvam.

Pri uporabi E-sistemov v primerjavi s klasičnimi sistemi s konstantno vrtilno hitrostjo, imajo

le ti naslednje prednosti:

- letni prihranek energije do 50% (običajno 25-35%),

- letno zmanjšanje emisij CO2 – običajno 1 tona CO2 za 3 kW moči,

- znižanje stroškov glede na življenjsko dobo obratovanja – običajno 25%,

- povrnitev stroškov investicije v tovrstne sisteme je 2-3 leta.

Podatki so dobljeni ob naslednjih predpostavkah: uporaba črpalke z elektromotorjem moči

3 kW, ki deluje v povprečju 12 ur na dan in povprečno 220 dni na leto. Povprečna vrednost

CO2 / kW je 0,37 kg. Za izračun življenjske dobe je vzeto obdobje 10 let.

Omenjeni podatki nakazujejo smeri razvoja črpalnih sistemov, zato je smiselno izvesti

preizkuse delovanja za različne režime, tako nastavljanja tlaka, kakor tudi vklopov in

izklopov potrošnikov.

V naših raziskavah stanja smo se predvsem omejili na proizvajalca Grundfos, saj je bil v

preizkuševališču uporabljen njihov starejši tip črpalnega sistema, ki je deloval v realnih

razmerah 15 let. Črpalni sistem je bil tudi delno obnovljen, tako da ustreza nazivnim

karakteristikam podanim v literaturi.

1.2 Struktura diplomskega dela

Sama diplomska naloga je razdeljena v poglavja, v katerih opredelimo problematiko oskrbe z

vodo. V nadaljevanju bomo podali osnovne značilnosti, matematične zapise in izračune

potrebne za preverjanje pravilnosti izbranega sistema, ki so hkrati tudi lahko osnova za

izračun osnovnih parametrov črpalnega sistema pri novih sistemih.

Sledijo opisi posameznih elementov sistema in nekatere njihove značilnosti, podrobneje bo

predstavljen tudi sam pogonski agregat in značilnosti vodenja, predvsem z namenom

spreminjanja vrtilne hitrosti. Nato bo opisano še samo preizkuševališče, značilnosti

posameznih komponent in režimi obratovanja. Sledijo eksperimentalni rezultati, dobljeni pri

statičnem obratovanju v posameznih delovnih točkah in preizkusi dinamičnega delovanja

črpalnega sistema. V zaključku bodo podana razmišljanja in komentarji dobljenih rezultatov.

Določena gradiva, ki bi bila za samo jedro diplomske naloge preobsežna, vsebujejo pa

pomembne podatke, so podana v prilogah.


- 3 -

2 OPREDELITEV CILJEV DIPLOMSKEGA DELA

Zaradi potreb po nemoteni dobavi sanitarne in pitne vode v večnadstropnih, večstanovanjskih

zgradbah je potrebno raziskati možnosti dogradnje obstoječih sistemov. Razni proizvajalci

ponujajo različne sisteme, primerne tako za enostanovanjske, kakor tudi za večstanovanjske

objekte.

Tovrstni sistemi se pojavljajo povsod tam, kjer je potrebno potrošnikom zagotoviti ustrezen

pretok pri ustreznem tlaku.

Za izvedbo raziskave o možnosti uporabe frekvenčnega pretvornika na že obstoječem

črpalnem agregatu, je bil zastavljen cilj, poiskati optimalno izvedbo sistema za podaljšanje

uporabnosti. Cilj zajema proučitev komponent sistema, ki so na voljo in izvedba izgradnje

preizkuševališča na katerega je priključen obstoječi črpalni sistem. Nadalje je potrebno

preizkusiti delovanje celotnega sistema in določiti področja možne uporabe glede na

maksimalne zmožnosti črpalnega sistema. Preveriti tlačne izgube v cevovodu in preveriti

ustreznost samega črpalnega sistema za pokrivanje teh izgub. Določiti mejna področja za

preizkuse dinamičnega obnašanja, predvsem pri spremembi vrtilne hitrosti pogonskega

agregata (sprememba vodilne veličine) in pri spremembi potrebne oskrbe dodatno

vklapljajočih se potrošnikov (sprememba motilne veličine).

Pri sami nalogi je potrebno upoštevati tudi omejitve, ki jih daje sistem. Te so:

- da je vstopni in izstopni premer cevi enak 1'',

- da je za uporabo ultrazvočnega merilnika potrebno uporabiti cev z minimalnim premerom

2'',

- da je frekvenčni pretvornik namenjen elektromotornim pogonom z maksimalno močjo

2,2 kW in temu primeren tudi močnostni priklop.

Omejitve je potrebno upoštevati pri sami izgradnji sistema in pri določevanju možnih področij

obratovanja. Preveriti je potrebno tudi možnosti kompenzacije tlačnih padcev povzročenih z

dodatnim potrošnikom.

Pri uporabi frekvenčno reguliranih črpalk je potrebno upoštevati omejitve sklopa črpalke v

povezavi z elektromotorjem in frekvenčnim pretvornikom, predvsem z vidika iskanja

optimalnega obratovalnega režima. Ker so za sestavo proge uporabljeni že obstoječi deli, tako

črpalni agregat, kot del cevnega omrežja bodo eksperimentalni rezultati pokazali tudi

možnosti dogradnje frekvenčnega pretvornika obstoječemu in ostalim podobnim obstoječim

črpalnim sistemom.


- 4 -

3 MATEMATIČNE OSNOVE

3.1 Matematični opis črpalnega dela in izračun izgub cevovoda

Pred pričetkom meritev na merilni progi je potrebno poiskati vse dejavnike, ki vplivajo na

analizo oziroma rezultate izvedbe celotnih meritev.

V preračunu je upoštevanje linijskih in lokalnih izgub pomemben dejavnik, ki bo v

nadaljevanju podrobneje opisan.

Študij notranjih tokov tekočine v vodnikih oziroma ceveh je zaradi pogoste praktične uporabe

izredno zanimiv in pomemben. V večini primerov notranjih tokov v inženirskih sistemih je

gibanje tekočine turbulentno [19].

Osnovna značilnost notranjih tokov je ta, da je tok tekočine v celoti ograjen s trdimi stenami.

Slika 3.1 prikazuje tokovne razmere na vstopu v vodnik. V vstopnem območju vodnika so

viskozni učinki pomembni le v mejni plasti. Ker pa se ta debeli, se neviskozno jedro

zmanjšuje. Zaradi tega se tok tekočine v osrednjem delu pospeši, tj. zaradi

kontinuitetne enačbe (1) [19].

(1)

Po določeni dolžini mejna plast v celoti izpolni cev. Viskozni učinki tako postanejo

pomembni v celotnem vodniku. Hitrostni profil se popolnoma razvije na nekoliko večji

razdalji, ki jo imenujemo vstopna dolžina . Za razdalje je hitrostni profil

popolnoma razvit, tj. zaradi tega je strižna napetost na steni vodnika konstantna in

tlak se zmanjšuje linearno vzdolž cevi pri laminarnem in turbulentnem tečenju. Vstopno

dolžino ocenimo z uporabo empiričnih enačb, nap. za laminarni tok velja izraz (2) [19],

, (2)

medtem ko za turbulentni tok (3) [19],

. (3)


- 5 -

Slika 3.1: Tokovne razmere na vstopu v vodnik [19]

3.1.1 Linijske izgube [19]

Izgube mehanske energije stacionarnega razvitega toka tekočine v vodniku dolžine L in

premera D podamo s naslednjim izrazom (4) [19],

(4)

kjer je koeficient linijskih izgub in je povprečna hitrost po prerezu vodnika časovno

povprečne hitrosti. Pri vodnikih ne krožnega prereza premera vodnika D nadomestimo s

hidravličnim premerom določenim z odvisnostjo (5) [19].

(5)

kjer sta A pretočna površina in o omočeni obseg. Koeficient linijskih izgub je v splošnem

odvisen od Reynoldsovega števila in relativne hrapavosti, npr. velja naslednja implicitna

funkcija (6) [19],

(6)


- 6 -

3.1.2 Lokalne izgube [19]

Z lokalnimi izgubami označujemo izgube mehanske energije zaradi lokalnih sprememb toka

tekočine na primer zaradi zožitve, razširitve in razcepa vodnika, spremembe smeri toka

oziroma cevnega kolena, armature itn. Računamo jih po formuli (7) [19],

, (7)

kjer je koeficient lokalnih izgub v splošnem funkcija Reynoldsovega števila in geometrijske

oblike , tj. (8) [19],

(8)

Pri velikih vrednostih Re števila, ko vztrajnostne sile prevladajo viskozne, pa le od

geometrijske oblike (9) [19],

(9)

V večini primerov je koeficient določljiv le empirično. Alternativno lahko podamo lokalne

izgube z ekvivalentno dolžino ravne cevi , definirane z enakostjo (10) [19],

(10)

tako, da velja (11) [19],

(11)

Skupne izgube mehanske energije vodnika so vsota linijskih in vseh lokalnih izgub (12) [19]

(12)

oziroma za primer konstantnega premera vodnika D = konst. (13) [19],

(13)

kjer je L celotna dolžina vodnika vštevši kolena [19].


- 7 -

3.2 Izračun linijskih in lokalnih izgub

Na izdelani preizkuševalni progi, ki je podrobno opisana v poglavju 4.1 je cevno omrežje

sestavljeno iz veje A in veje B. Shematski prikaz preizkuševališča je podan na sliki 3.2.

Slika 3.2: Poenostavljen shematski prikaz cevnega omrežja z vejo A in vejo B

Tlačna stran se razcepi na vejo A in vejo B, zato moramo upoštevati slednje.

Za preračun linijskih in lokalnih izgub smo uporabili naslednje enačbe:

Enačba za izračun skupnih izgub na sesalni in tlačni strani (14).

(14)

Izgube na sesalni strani podaja naslednja enačba (15).

(15)

Izgube na tlačni strani pa (16),

(16)

Skupne izgube so podane z izrazom (17).

(17)


- 8 -

kjer so koeficienti lokalnih izgub, koeficient linijskih izgub, premer cevi,

dolžina cevnega odseka in hitrost. Izračun tlačne izgube za en tokovni režim je prikazan v

prilogi 1, diplomske naloge.

3.3 Osnove za določitev pogonskega dela črpalnega agregata

3.3.1 Osnove pogonske tehnike [6]

Naloga elektromotornega pogona je vzpostavljanje povezave med omrežjem, ki dobavlja

električno energijo in delovnim strojem, kot porabnikom mehanske energije. Sama pretvorba

električne energije v mehansko se izvaja v elektromotorju, v smeri od omrežja preko

elektromotorja do delovnega stroja pa teče energijski pretok. Pri najenostavnejših

elektromotorskih pogonih (npr. pri nekaterih gospodinjskih strojčkih, pa tudi pri enostavnih

pogonih črpalk, ventilatorjev in podobnih strojev) je prisoten samo energijski pretok. V

tehniki avtomatizacije proizvodnih procesov je poleg energijskega pretoka prisoten še pretok

signalov oziroma pretok informacij. S pomočjo pretoka signalov, torej z merjenjem in

krmiljenjem (upravljanjem) veličin, ki nastopajo v proizvodnem procesu, krmilimo oziroma

reguliramo energijski pretok. Značilno je, da pretok signalov vodimo v povratni smeri tako,

da v elektromotorski pogon dodamo povratno zvezo oziroma zaključimo regulacijsko zanko.

Pogonska tehnika se pri avtomatizaciji proizvodnih procesov poslužuje krmilne tehnike; pri

zelo zahtevnih procesih pa mora vključevati tudi regulacijsko tehniko. Če je v

elektromotornem pogonu prisotna regulacija, le ta deluje z regulirano veličino delovnega

stroja nazaj na regulator motorja (slika. 3.3). Posebno pomembna je stalna prilagoditev

elektromotorja in pripadajočih stikalnih elementov na obratovalne pogoje delovnega stroja,

ki ga poganjamo. Iz teh razlogov moramo delovne karakteristike delovnih strojev natanko

poznati [6].


- 9 -

Slika 3.3: Blokovna shema elektromotorskega pogona [6]

Naloge, ki jih predpisujejo delovni procesi, so lahko zelo raznovrstne. Elektromotorji se

najlažje prilagodijo delovnim strojem, ki obratujejo s konstantno vrtilno hitrostjo in

elektromotorje obremenjujejo ves čas s konstantno močjo ( ventilatorji, tekoči trakovi,

črpalke). Pod pogojem, da je nazivna moč elektromotorja pravilno izbrana, ne nastopijo

nikakršni problemi s segrevanjem saj navitja motorja lahko dosežejo kvečjemu temperaturo

stacionarnega stanja. Dodatne probleme zaradi segrevanja vnašajo elektromotorski pogoni, ki

jih pogosto vklapljamo in izklapljamo, oziroma pri katerih pogosto spreminjamo smer

vrtenja (dvigala, orodni stroji, valjalne proge). V nasprotju s trajno obremenitvijo lahko

elektromotorje, ki obratujejo samo v krajših časovnih intervalih (kratkotrajna obremenitev,

intermitirajoča obremenitev) obremenimo z večjimi močmi, kot znaša nazivna obremenitev

elektromotorja. Elektromotorski pogoni, pri katerih zahtevamo spreminjanje vrtilne hitrosti

morajo biti ustrezno dodatno tehnično opremljeni (uporabljene ustrezne rešitve za odvajanje

dodatno nastajajoče toplotne obremenitve) [6].

Različne zahteve, ki smo jih omenili, narekujejo izbiro zelo raznovrstnih elektromotorjev z

močmi od nekaj mW (pri urnih mehanizmih, merilnih instrumentih) do 50 MW (za pogon

črpalk, ki črpajo vodo v akumulacijska jezera) in vrtilnimi hitrostmi od 1/1000 min-1

(za

pogon nonijev) pa vse do 100000 min-1

(pri ultra hitrih centrifugah). Glede na te zahteve se

ravnata tudi frekvenca in napajalna napetost uporabljenih elektromotorjev. Od

elektromotorjev razumljivo zahtevamo dovolj dolgo življenjsko dobo, prav tako pa morajo

vsi elektromotorji zagotavljati tudi primerno zaščito osebja, ki s temi motorji upravlja [6].


- 10 -

3.3.2 Pogonska moč črpalke [6]

Pretok zraka in pretok tekočin načeloma lahko obravnavamo na enak način. Pozornost je

treba posvečati izkoristku, ker so izkoristki batnih črpalk od =0.8 do =0.95 večinoma

znatno boljši od izkoristkov centrifugalnih črpalk (=0.5 do =0.85). Razen tega pri

črpalkah izbiramo vselej za varnostni faktor ks=1.1 do ks=1.5 večjo pogonsko moč kot pri

ventilatorjih oziroma kompresorjih zaradi velikega vpliva trenja tesnilke na osi črpalke.

Formula za izračun potrebne pogonske moči črpalk dobi s tem obliko (18) [6].

Pk p

pog

s

(18)

3.3.3 Bremenske karakteristike pri spremenljivi vrtilni hitrosti [6]

Delovni stroj pogonski elektromotor le redkokdaj obremenjuje s konstantno obremenitvijo,

večinoma se potrebna pogonska moč v odvisnosti od obravnavanega delovnega poteka

spreminja z vrtilno hitrostjo in časom, lahko pa tudi zaradi drugih spremenljivih veličin. Te

odvisnosti si bomo sedaj podrobneje ogledali [6].

Razlikujemo štiri vrste bremenskih karakteristik v odvisnosti od spremenljive vrtilne hitrosti,

ki jih lahko matematično in grafično predstavimo v obliki preprostih funkcij oziroma grafov

(slika 3.4). Dejanske bremenske karakteristike lahko zaradi različnih vplivov bolj ali manj

odstopajo od idealnih potekov, vendar bomo te vplive v nadaljnjem zanemarili, oziroma

bomo nanje opozorili na koncu tega poglavja. Karakteristike bomo prikazovali z relativnimi

veličinami, ker dobijo s tem diagrami splošnejšo veljavnost. Relativne veličine definiramo s

kvocientom dejanske vrednosti veličine s pripadajočo nazivno vrednostjo. Vse relativne

veličine so brez dimenzijske. Relativne veličine, ki nastopajo v bremenskih karakteristikah

so [6]:

- relativni bremenski moment:

MM

MB

B

B

r

N

, (19)


- 11 -

- relativna bremenska moč:

PP

PB

B

B

r

N

, (20)

- relativna vrtilna oziroma relativna kotna hitrost:

Nr

Nr

n

nn

. (21)

Pozneje bomo uporabljali še druge relativne veličine, ki pa jih bomo definirali takrat, ko jih

bomo potrebovali. Če ima neka veličina dejansko vrednost enako nazivni vrednosti, ima

pripadajoča relativna veličina vrednost 1 [6].

a) b) c) d)

Slika 3.4: Bremenske karakteristike delovnih strojev [6]

V sliki 3.4 predstavljajo posamezni diagrami: a) Konstantna pogonska moč, b) Konstantni

bremenski moment, c ) Linearno naraščajoči bremenski moment, d) Kvadratično naraščajoči

bremenski moment [6].

Konstantna pogonska moč. Pri delovnih strojih, kot so stroji za plano struženje se zahtevajo

pri optimalnem obratovanju določene, konstantne vrednosti rezalne sile F in rezalne hitrosti

v, odvisne od vrste materiala obdelovanca. Torej je potrebna bremenska moč

P F v MB B konstantna, kar pa zahteva glede na spremenljiv radij struženja

nastavljivo vrtilno hitrost. Za bremenski moment tedaj velja po sliki 3,4a [6]:

MP konst

n

konst

nF r konst r M

nr

B

B

B

.

2

12

1 . (22)

Podobne razmere vladajo pri navijalnih strojih in raznih vretenih, kadar želimo različne

trakove (trakove iz pločevine, papirne, tekstilne ali magnetofonske trakove) naviti okrog osi

vretena s konstantno silo navijanja F in s konstantno transportno hitrostjo v tako, da se radij


- 12 -

navitja povečuje. Največji in najmanjši radij navitja v tem primeru določata najmanjšo

oziroma največjo vrtilno hitrost [6].

Konstantni bremenski moment. Pri dvigalnih napravah in vitlih je bremenski vrtilni

moment M F rB , potreben za dviganje bremena z maso m določen s silo F m g in

navijalnim polmerom r. Ker je dvižna sila F konstantna in ker se tudi navijalni polmer r pri

vitlu ne spreminja, je vrtilni moment neodvisen od vrtilne hitrosti (je konstanten), bremenska

moč pa narašča linearno s kotno oziroma z vrtilno hitrostjo (slika 3,4b) [6]:

P M nB B . (23)

Podobno velja za delovne stroje, ki opravljajo mehansko delo z dviganjem neke snovi, s

trenjem ali s preoblikovanjem materiala, to se pravi za srednje obremenitve batnih črpalk in

kompresorjev, za zobniške črpalke, mehove z ohišjem in s konstantnim protitlakom, za

ležaje, gonila in podobno, za mline, tekoče trakove, valjarne, ne nazadnje pa tudi za orodne

stroje z odrezovanjem s konstantno rezalno silo in konstantnim premerom struženja, kot na

primer za stružnice in skobeljne stroje s konstantnim presekom odrezka in poljubno rezalno

hitrostjo [6].

Linearno naraščajoči bremenski moment. Linearno naraščajoči bremenski vrtilni moment

v odvisnosti od vrtilne hitrosti n [6]:

M nB (24)

in s tem kvadratično naraščajočo bremensko moč:

P M nB B 2 2

, (25)

zahtevajo le redki delovni stroji (slika 3,4c). Tu moramo omeniti le delovne stroje s trenjem,

proporcionalnim hitrosti (tako imenovanim viskoznim trenjem), tako npr. stroje z valjčki za

obdelavo papirnih, tekstilnih ali gumijastih vlaken, nadalje električne zavore na vrtinčni tok

pri nižjih vrtilnih hitrostih, pa tudi konstantno vzbujeni enosmerni generator s konstantno

bremensko upornostjo [6].

Kvadratično naraščajoči bremenski moment. Kadar moramo premagovati zračni upor ali

upor tekočine, je potreben bremenski moment, ki se z vrtilno hitrostjo kvadratično spreminja:

M nB 2 2

, (26)

bremenska moč pa celo s tretjo potenco vrtilne hitrosti (slika 3,4d):

P M nB B 3 3

. (27)


- 13 -

Zgledi za to vrsto delovnih strojev so ventilatorji vseh vrst, propelerji (tudi ladijski vijaki),

centrifugalne črpalke in kompresorji, centrifuge, mešalci, vozila in transportne naprave, ki

premagujejo zračne upore pri višjih hitrostih [6].

Karakteristike delovnih strojev se v praksi lahko precej razlikujejo od idealnih karakteristik,

prikazanih na sliki 3.4. Večinoma je treba idealnemu bremenskemu momentu prišteti še

vrtilni moment za premagovanje trenja, za katerega je značilno, da je v širokem območju

skoraj neodvisen od vrtilne hitrosti, vendar pa lahko močno naraste pri mirovanju stroja in

zato povzroča velik bremenski moment pri speljevanju iz stanja mirovanja, tako da moramo

temu primerno dimenzionirati tudi zagonski moment pogonskega elektromotorja. Bremenski

moment za speljevanje iz stanja mirovanja je večinoma 20 do 30 % večji od normalnega

bremenskega momenta, vendar pa se lahko ta vrednost poveča za 50 %, če delovni stroj

nekaj dni miruje, pri vrtljivih cementnih pečeh pa naraste celo za 150 %. Pri papirnih strojih

z drsnimi ležaji se bremenski moment za speljevanje iz stanja mirovanja poveča za 100 do

300 %. Pri zelo velikih strojih pred zagonom dodajajo tlačno olje med osjo in spodnjo

ležajno lupino, tako da lahko vzdržujejo majhno trenje ležajev že v stanju mirovanja. [6]

Diagram 1: Realne bremenske karakteristike [6]

(1) - dvigalo s trenjem,

(2) - batni kompresor z zagonom proti delovnemu pritisku,

(3) - drobilec,

(4) - centrifugalna črpalka z zagonom proti delovnem pritisku,

(5) - enako kot (4), vendar z razbremenitvijo.


- 14 -

Pri črpalkah in kompresorjih se karakteristike lahko precej razlikujejo od idealnih, kar je

odvisno od tega ali jih zaganjamo razbremenjene ali tako, da morajo premagovati določen

delovni pritisk. Tako npr. bremenski moment batnega kompresorja, ki ga zaženemo proti

delovnemu pritisku, naraste na 1.5 do 1.7 - kratno nazivno vrednost. Nekatere zglede drugih

delovnih strojev prikazuje zgornji diagram 1 [6].

3.3.4 Asinhronski motor

Asinhronski motor je v današnji industriji med najpogosteje uporabljen motor. Prednost pred

enosmernimi motorji je predvsem v enostavni izvedbi, ki bistveno zmanjšuje stroške izdelave,

robustnosti izdelave in ločitve rotorskega in statorskega tokokroga in posledično do mnogo

boljšega izkoristka [14].

Asinhronski motor sestavljata dva osnovna sestavna dela:

- mirujoči stator z faznimi navitji in

- vrteči se rotor s kratkostično kletko.

Med statorjem in rotorjem je zračna reža (0,3 - 1,5 mm). Stator je sestavljen iz železnega

paketa, ki ga obdaja ohišje. V notranji strani pa so utori v katere so vstavljena navitja, kar je

razvidno iz slike 3.5 [14].

Slika 3.5: Stator brez ohišja levo in v ohišju desno [14]

Rotor, ki je fiksiran na gredi, je sestavljen iz sklopa lamelirane dinamo pločevine, slika 3.6

[14].


- 15 -

Slika 3.6: Rotor fiksiran na gred motorja [14]

Rotor ima po obodu v utorih zalite palice iz aluminija ali bakra, ki povezujejo dva obroča med

seboj. Ta oblika paličnega navitja predstavlja kratkostično kletko, ki jo prikazuje slika 3.7

[14].

Slika 3.7: Kratkostična rotorska kletka [14]

Slika 3.8 prikazuje princip nastanka magnetnega polja, ki ga povzroča priključna napetost. Ob

uporabi izmeničnega toka vidimo, da med faznima navitjema B in C, obstaja kot 120°.

Število polov predstavlja število navitij, ki so razporejena po obodu.

Slika 3.8: Prikaz faze navitja in število polov [14]

V primeru, kot ga prikazuje slika 3.8, je skupno število polov ravno podvojeno število faz,

torej govorimo o dvopolnem statorju. Če bi se vsaka faza navitja pojavila štirikrat ali celo

osemkrat, bi govorili o štiri polnemu statorju ali osem polnem statorju. Število polov vpliva

na to, da motor tako deluje z različnimi vrtilnimi hitrostmi [14].

Enostavneje si lahko asinhronski motor predstavljano, kot transformator z gibljivim rotorjem.

Stator je priključen na napajalni vir, skozi rotorsko navitje pa teče inducirani sekundarni tok.


- 16 -

Posledica delovanja rotorskih tokov na magnetni pretok v zračni reži, tako imenovan fluks, pa

je vrtilni navor [14].

Potrebno je poudariti, da v praksi srečujemo z dve vrsti asinhronih motorjev, to so motorji z

kratkostično kletko, ki jo sestavlja večje število medsebojno povezanih palic iz bakra ali

aluminija in motorji z rotorskim navitjem in drsnimi obroči.

Pogonski sklop uporabljen v diplomski nalogi je Grundfos-ov standardni kratkostični

dvopolni asinhroni elektromotor MG 100, moči 2,2 kW (slika 3.9), z dimenzijami v skladu z

EN standardi. Motor je opremljen z zaprtim ventilatorskim hlajenjem ter napajan z napetostjo

400 V preko frekvenčnega pretvornika Hitachi SJ100.

Slika 3.9: Sestavni deli asinhronskega elektromotorja MG 100 [15]

Slabost asinhronskih motorjev je bila predvsem težava pri nastavljanju vrtilne hitrosti. S

hitrim razvojem stikalne tehnike in elektronike so v večini odpravljene tudi te

pomanjkljivosti. Glavni namen krmilnih naprav v začetni fazi razvoja je bil zniževanje

priključne statorske napetosti, v nadaljevanju pa tudi možnost spreminjanja frekvence. Vse to

je v nadaljevanju vodilo k vplivu na tok in magnetno polje [3].

V skladu s predpisi je potrebno motorje priključiti na ustrezen način z uporabo zaščitnih stikal

[11].

http://sl.wikipedia.org/wiki/Baker

http://sl.wikipedia.org/wiki/Aluminij


- 17 -

3.3.4.1 Delovanje asinhronega motorja

Ko na statorska navitja priključimo trifazno izmenično napetost, povzročimo nastanek

vrtljivega izmeničnega statorskega magnetnega polja. Ta posledično zaradi medsebojnega

delovanja z rotorskim magnetnim poljem zavrti rotor, kar je v skladu z osnovnimi zakoni

elektromagnetnih sistemov. Pri vrtenju se pojavi razlika med samo hitrostjo vrtilnega

magnetnega polja in dejanskim vrtenjem rotorja, ki jo imenujemo slip. Slip je podan, kot

odstotna vrednost in je ključen vzrok za navor [14]. Zaradi odstopanja med vzbujevalno

vrtilno hitrostjo magnetnega polja in dejansko vrtilno hitrostjo rotorja izhaja tudi ime,

asinhronski motor. Prav tako se pogosto uporablja naziv indukcijski motor, ki izhaja iz

samega načina delovanja.

Slika 3.10: Shematičen prikaz slipa [14]

Slip izračunamo z naslednjo enačbo.

, (28)

kjer predstavlja sinhronsko vrtilno hitrost in, - vrtilno hitrost rotorja.


- 18 -

3.3.4.2 Karakteristična krivulja asinhronskega elektromotorja

Za pravilno obravnavo in uporabo samih asinhronih motorjev je ključnega pomena

poznavanje momentne karakteristike. Slika 3.11 prikazuje momentno karakteristiko

asinhronskega motorja s kratkostično kletko.

Slika 3.11: Primer diagrama odvisnosti vrtilne hitrosti in momenta kjer je:

MA – zagonski moment, MK – omahni moment, MN – nazivni moment in ML – bremenski

Moment.

Za vrednotenje posameznih točk v diagramu podaja razna literatura povezave za

preračunavanje. V ta namen uporabimo Klossovo enačbo, ki je podrobneje opisana v viru [6].

Za pravilno uporabo Klossove enačbe je potrebno poznati osnovne izpeljave, kjer za izhodišče

obravnavamo enačbo pogonske moči, navora in vrtilne hitrosti.

kjer je . (29)

Če enačbo 29 preoblikujemo tako, da iz nje izrazimo moment, dobimo:

- nedefinirana moč pri zagonskem toku (30)

Enačba 30 je osnova za izračun, predvsem za podatke, ki jih podaja proizvajalec (nazivna

točka), ostale pa izrazimo s Klossovo enačbo, ki ima naslednjo splošno obliko:

(31)

Če moment M in slip s (pri zagonu je slip s = 1) zamenjamo z podatki za zagon dobimo:


- 19 -

(32)

Tako lahko zapišemo splošno obliko Klossove enačbe, ki je najpogosteje v uporabi :

, (33)

kjer je slip s podan z izrazom

. (34)

V enačbah 30, 31, 32, 33 in 34 predstavljajo: - sinhrona hitrost, - hitrost rotorja, - –

zagonski moment, - – omahni moment in, - – nazivni moment.

3.3.4.3 Karakteristična preizkusa

Pogosto proizvajalci ne podajo ključnih podatkov o elektromotorjih, zato jih mora uporabnik

pridobiti neposredno od proizvajalca (proti plačilu) oziroma izvesti ustrezne preizkuse.

3.3.4.3.1 Preizkus prostega teka [3]

Pri določitvi parametrov asinhronskega motorja, moramo za določitev vrednosti posameznih

karakteristik, kot so upornosti rotorskih in statorskih navitij ter induktivne upornosti, izvesti

preizkus prostega teka. Preizkus prostega teka izvedemo tako, da se rotor motorja brez

obremenitve prosto vrti. Slika 3.12 prikazuje merilno vezavo instrumentov. Pri preizkusu

določimo pri nazivni medfazni napetosti vrednost moči in toka (meritev se izvede v vseh

fazah).

Slika 3.12: Prikaz merilne vezave instrumentov [3]


- 20 -

3.3.4.3.2 Preizkus kratkega stika [3]

Pri preizkusu kratkega stika, meritev izvajamo pri znižani napajalni napetosti in blokiranem

rotorju oziroma rotorju, ki se vrti z vrtilno hitrostjo n < 10 min-1.

Slika 3.13 prikazuje merilno vezavo instrumentov [3].

Slika 3.13: Prikazuje merilne vezave instrumentov [3]

Tudi tu je zadeva podobna, kot pri preizkusu prostega teka, merimo moč (Aronova vezava) in

tok [3].

Proizvajalec frekvenčnega pretvornika v svojih navodilih prav tako predlaga vezalno shemo

za meritev osnovnih vrednosti toka, napetosti in moči na vstopu in izstopu iz samega

frekvenčnega pretvornika. Slika 3.14 prikazuje predlog vezalne sheme z označenimi merjenji

vrednosti, kjer je potrebno opomniti, da je merjenje moči naznačeno zgolj simbolično med

dvema fazama (kar ne ustreza dejanski izvedbi priključitve W-metra, kjer je potrebno

zaporedno vezati tokovni del, vzporedno pa napetostni merilni del), kakor je bil to primer pri

vezah na slikah 3.12 in 3.13.

Slika 3.14: Prikaz merilne naprave vezava, originalna slika iz navodil SJ 100 [17]


- 21 -

3.3.5 Dinamično obnašanje asinhronskega motorja – matematični model [4]

Nastavljanje vrtilne hitrosti asinhronskih motorjev predstavlja v novejšem času predvsem

poseg v spreminjanju vzbujevalne frekvence, kar opravlja frekvenčni pretvornik. Uporabnik

se mora pogosto ob izboru načina regulacije vrtilne hitrosti, odločati med več možnimi

izvedbami, tako samih elektromotorjev, kot frekvenčnih pretvornikov in vrst regulacije.

Opisovanje matematičnih modelov motorja je bilo pogojeno predvsem z zmožnostmi

računalnikov pri izvajanju simulacij. Za matematični opis tako izmeničnih, kot enosmernih

strojev se je uporabil poenostavljen model, ki jih navajajo različne literature. Na sliki 3.15 je

prikazan tovrstni model uporabljen za opis delovanja asinhronskega motorja.

Slika 3.15: Blokovna shema simulacijskega modela asinhronskega motorja [4]

Navedeni model omogoča izvedbo simulacije, ki zadovoljuje grobo delovanje samega

motorja, vendar ga lahko uporabimo samo v okolici nazivne delovne točke elektromotorja.

Konstante posameznih prenosnih funkcij je možno določiti s pomočjo kataloških podatkov.

Na osnovi nadomestne sheme, podane na sliki 3.16, lahko zapišemo prenosne funkcije

lineariziranega matematičnega modela tudi zunaj nazivne delovne točke.

Slika 3.16: Nadomestna shema asinhronskega motorja s kratkostično kletko [4]

Iz nadomestne sheme opišemo dinamično obnašanje:

ms m m r r

dis k u i R L

dt (35)


- 22 -

Z uporabo Laplaceove transformacije izpeljemo prenosno funkcijo.

1

m s s

m r r r r

i p s k s k

u p R L p R pT

(36)

Podobno izpeljemo še prenosno funkcijo nastanka elektromehanskega navora:

1m

m w cel

p

m p m p p J

, (37)

kjer predstavlja Jcel seštevek lastnega vztrajnostnega momenta motorja in vztrajnostnega

momenta bremena. S poznavanjem razmerja

( )m

m

m

m pk

i p , (38)

lahko zapišemo prenosno funkcijo celotnega sistema. Slika 3.17 prikazuje blokovno shemo

lineariziranega modela opisa delovanja asinhronskega motorja.

Slika 3.17: Blokovna shema lineariziranega modela asinhronega motorja [4]

Za določitev posameznih konstant v opisanem modelu je potrebno opraviti preizkus praznega

teka (opis podan v poglavju 3.3.4.3.1) in kratkega stika (opis podan v poglavju 3.3.4.3.2)

Preizkus se lahko izvede v laboratoriju oziroma v industriji. Podatkov o teh preizkusih

proizvajalci motorjev običajno ne dajejo, tako jih mora uporabnik zahtevati od proizvajalca

oziroma sam opraviti preizkus.

Pomanjkljivost tovrstnih modelov je predvsem v tem, da ne opisujejo asinhronskega

elektromotorja v celotnem območju njegovega delovanja, saj za potrebe simulacije pogosto

zanemarjamo spremembo slipa. Tako obravnavamo delovanje motorja le v okolici delovne

točke. Pogosto pa je potrebno obravnavati tudi pojave, ki jih v idealiziranem modelu ne

moremo zajeti (vpliv preklopne frekvence, izpadi posameznih faz in podobno). Zato je

potrebno razviti popolnejši model, ki bo dovolj verodostojno obravnaval tudi te pojave. V

literaturi zasledimo različne koncepte razvoja modelov. Prikazan bo model povzet po viru [3],


- 23 -

ki podaja osnovne enačbe za statorsko in rotorsko stran ter moment, ki se uporablja za

natančnejše obravnavanje obnašanja. Razni viri podajajo modele, ki jih lahko uporabimo in

zanje zapišemo ustrezne enačbe na osnovi idealiziranega modela prikazanega na sliki 3.18

[4].

Slika 3.18: Idealiziran model trifaznega asinhronega motorja [4]

Idealiziranemu modelu lahko zapišemo naslednje enačbe:

asas as s

bsbs bs s

cscs cs s

dv i r V

dt

dv i r V

dt

dv i r V

dt

(39)

kjer predstavljajo vas, vbs in vcs statorske fazne napetosti, ias, ibs in ics statorske fazne tokove,

as , bs in cs statorske magnetne sklepe in rs upornost ene faze statorskega navitja

arar ar r

brbr br r

crcr cr r

dv i r V

dt

dv i r V

dt

dv i r V

dt

(40)

kjer predstavljajo var, vbr in vcr rotorske fazne napetosti, iar, ibr in icr rotorske fazne tokove, ar ,

br in cr rotorske magnetne sklepe in rr upornost ene faze rotorskega navitja.

r

-bs

as

-cs

bs

-as

cs

cr-br

ar

-crbr

-ar

r

as os


- 24 -

3

2 2

3

2 2

3

2 2

em qr dr dr qr

ds qs qs ds

dr qs qr ds

PT i i

Pi i

PL i i i i

(41)

Pri obravnavanju definiramo nov koordinatni sistem qd0, z njegovo pomočjo lahko

obravnavamo poljuben režim delovanja samega elektromotorja (slika 3.19).

Slika 3.19: Razmerja med koordinatnim sistemom abc in sistemom qd0 [4]

Podobno kot v koordinatnem sistemu abc zapišemo napetostne enačbe in enačbe navora za

koordinatni sistem qd0:

0 0 0

qs qs ds s qs

ds ds qs s ds

s s s s

v p r i

v p r i

v p r i

(42)

0 0 0

qr qr r dr r qr

dr dr r qr r dr

r r r r

v p r i

v p r i

v p r i

(43)

3 P

2 2

3 P

2 2

3 P

2 2

3 P

2 2

em ds qs qs ds r dr qr qr drr

qr dr dr qr

ds qs qs ds

m dr qs qr ds

T i i i i

i i

i i

L i i i i

(44)

bs

cs

arbr

cr

as-os

q-os

d-os

r

r


- 25 -

S pomočjo nadomestnih shem lahko predstavimo enačbe 42, 43 in 44, ki obravnavajo

napetostne razmere in spreminjanje navora.

Za pravilno obratovanje dinamičnega obnašanja je nujno potrebno izdelati simulacijske

modele. S pomočjo le teh lahko pred samo izvedbo preizkusa preverimo delovanje tako

posameznih delov sistema, kot tudi celotni sistem. Za naš model so bile uporabljene

simulacije na osnovi najpogosteje uporabljenih modelov, kjer pa jih nismo uporabili za

projektiranje zaprto zančnih sistemov ( kar tudi ni namen te naloge), rezultatov le teh ni

navedeno.

3.3.6 Močnostni del sistema – Frekvenčni pretvornik

Zelo pomembno vlogo v samem delovanju asinhronega motorja predstavlja tudi močnostni

pretvornik. Močnostni pretvorniki so v primerjavi s ceno motorja sicer višji, če primerjamo

ceno močnostnega pretvornika in ceno izmeničnega motorja je ta 5/2, vendar se ta razlika v

določenem obdobju povrne saj tu bistveno prihranimo zaradi manjše porabe energije (kar

navaja tudi proizvajalec GRUNDFOS). V kolikor uporabljamo pretvornik se izkoristek

primarne energije poveča, prav tako pa se izboljša prilagajanje motorja v odnosu na mehansko

breme in električno omrežje [3].

Naloga močnostnega pretvornika je, da uravnava preneseno energijo odvzeto omrežju, ki ga

posreduje na asinhronski elektromotor. S spremembo amplitude oziroma frekvence napetosti,

ki je namenjena elektromotorju spreminjamo tudi izhodno energijo. Za krmiljenje delovanja

samega močnostnega pretvornika skrbi krmilnik, ki krmilne signale prenese in s tem vpliva na

delovanje močnostnega dela naprave, kar je razvidno iz slike 3.20 [3].

Slika 3.20: Shema pogona elektromotorja s pomočjo krmilnika [3]

Iz zgornje sheme je razvidno, da krmilni del pretvornika poskrbi za to, da močnostni del

pretvornika daje elektromotorju določeno napetost oziroma tok. Ob tem pa ima krmilni del


- 26 -

tudi funkcijo zaščite. V osnovi je pomembno, da sta motor in pretvornik v skladu s potrebo po

bremenu, kadar govorimo o prehodnih pojavih, kot so pospeševanje in zaviranje, torej hitre

spremembe delovanja. Tu pa se pojavi potreba po visokih navorih, ki jih mora pogon

zagotavljati [3].

Pogosto je potrebno zagotoviti zvezno gibanje brez sunkovitih delov, kar prikazuje diagram 2,

kar pa brez uporabe frekvenčnega pretvornika ni enostavno [13].

Diagram 2: Prikaz gibanja: hitrost, pozicija in navor [13]

V merilni progi je kot močnostni del asinhronskega trifaznega motorja uporabljen frekvenčni

pretvornik Hitachi SJ100.

Frekvenčni pretvornik je naprava, ki skrbi za regulacijo vrtljajev motorja. Sistem delovanja

frekvenčnega pretvornika je tak, da preko vhodne enote (usmernika) usmeri izmenično

vhodno napetost. Enosmerna napetost pa se preko močnostne izhodne enote razsmeri na

ustrezno izmenično napetost in frekvenco za motor [9].

Za vodenje pogosto uporabljamo strategijo pulzno širinske modulacije ali s kratico PŠM.

Pulzno širinski modulator ima funkcijo spreminjanja vira napajanja, ki vstopa v izhodno

obliko, kot je razvidno iz diagrama 3 [13].

Diagram 3: Delovanje PŠM, prikaz vhodnih in izhodnih napetosti [13]


- 27 -

Večina frekvenčnih pretvornikov danes uporablja napredne vektorske algoritme, s katerimi je

mogoče znatno zmanjšati porabo električne energije. Z ustrezno regulacijo vrtilne hitrosti

motorja se povečuje prihranek energije, kot tudi v primeru, ko se vrtilna hitrost motorja ne

sme zmanjšati in obremenitev motorja ni trajna oziroma se ta pojavlja sunkovito. Vektorski

model frekvenčnega pretvornika konstantno spremlja vrtilno hitrost motorja ter v primeru, če

obrati ne zaostajajo za vrtilnim poljem statorja več kot je njegov » slip «, tok ostaja pod

nazivnim tokom. Če pretvornik zazna preobremenitev oziroma zmanjšanje obratov, se

preobremenitev rešuje s povečavo izhodne napetost in toka ter s tem momenta motorja. V

primeru, ko tok v določenem času ne pade pod mejo dovoljenega, frekvenčni pretvornik javlja

preobremenjenost in kasneje izklopi motor. Frekvenčni pretvornik tako varuje motor, samega

sebe in celoten sistem pred okvaro [9].

Frekvenčni pretvornik je elektronska naprava, ki je priključena na napajalno napetost

frekvence 50 Hz. To napetost usmerimo v enosmerno napetost, jo preusmerimo nazaj in ji

določimo novo frekvenco. Zgradba frekvenčnih pretvornikov je v osnovi enaka, zmogljivosti

pa so različne. Razlikujejo se po zmožnosti regulirane frekvence in po delovni moči motorja.

Prednosti frekvenčnega pretvornika so v cenovni dostopnosti, lahko pa mu programiramo

število vrtljajev in s tem tudi optimiziramo zagonske lastnosti [9].

Ostale glavne lastnosti frekvenčnega pretvornika so:

mehki zagon motorja brez tokovnih sunkov,

zagon s konstantnim tokom,

regulacija vrtilne hitrosti ali momenta [1].

Frekvenčni pretvorniki poleg mehkega zagona omogočajo še regulacijo vrtilne hitrosti

elektromotorja. Uporabni so prav pri vsakem elektromotornem pogonu s standardnim

trifaznim asinhronskim motorjem, kot so prezračevalni sistemi, kompresorji, dvigala, črpalke,

obdelovalni stroji, žage ipd. [1].

Mehki zagoni se uporabljajo za zagon trifaznih elektromotorjev in nadomeščajo starejšo

izvedbo zagona zvezda/trikot ,ki ima tudi omejitev glede moči. Mehki zagoni so fizično

bistveno manjši, omogočajo nastavitev toka v določenem času in s tem preprečujejo prevelike

zagonske tokove [1].


- 28 -

Najpogostejša oblika je z uporabo skalarno krmiljenje vrtilne hitrosti, ki je prav v začetnem

razvoju pomenila edino možnost uporabe. Če pogledamo na splošno pri veliko pogonih ni

pogoj po spremembah vrtilne hitrosti, predvsem zaradi konstantnih vrtilnih hitrostih pri teh

pogonih. Zato imamo pogosto v uporabi odprto zančni način nastavljanja vrtilne hitrosti. Tu

je potrebno nastaviti vrednosti statorske napetosti oziroma frekvence. Spodnja slika 3.21

prikazuje blokovno shemo enostavne nastavitve vrtilne hitrosti. Na prvi sliki 3.21a vidimo

nastavljanje vrtilne hitrosti z redkim obratovanjem v nižjem področju delovanja. Slika 3.21b

pa prikazuje nastavljanje pri pogonih, kjer imamo korekcijo pri nižjih vrtilnih hitrostih [3].

Slika 3.21: Odprto zančna nastavitev vrtilne hitrosti [3]

Vrednosti vhodne napetosti je dodana izmerjena vrtilna hitrost s pomočjo katere določamo

frekvenco inverterja. Ta način lahko uporabljamo tudi pri generatorskem načinu obratovanja,

s tem, da moramo upoštevati splošne omejitve [3].

Sodobni frekvenčni pretvorniki so predvsem z razvojem stikalne elektronike omogočili

obratovanja, ki so možna v večini obremenitvenih primerov in jo poznamo predvsem kot

vektorsko vodene frekvenčne pretvornike. Zaradi uporabe mikroprocesorjev v samih

frekvenčnih pretvornikih se le ti pogosto ponašajo tudi z možnostmi, ki bi sicer potrebovale

večje število dodatnih senzorjev (merilniki magnetnega pretoka, merilniki hitrosti).


- 29 -

3.3.6.1 Frekvenčni pretvornik SJ100

V diplomski nalogi je bil uporabljen frekvenčni regulator tipa Hitachi SJ100, električne

napetosti 400 V, ki je razviden iz slike 3.22.

Slika 3.22:Frekvenčni pretvornik Hitachi SJ100 [8]

Frekvenčni pretvorniki Hitachi so bili razviti z namenom možnosti priklopa na različne

omrežne sisteme, ki so pogojeni z mednarodnimi standardi, kot so CE in UL. Posebnost tega

pretvornika je uporaba modula ISPM z naprednim brez senzorskim nadzorom (Advanced

Sensorless Vector Control and state-of-the-art fieldbus) [8].

Frekvenčni pretvornik Hitachi SJ100 ima procesor, ki omogoča določevanje parametrov

krmiljenja stikalne elektronike in regulacije vrtilne hitrosti. Prav zaradi izredno sposobnega

procesorja proizvajalci dodajajo standardnim funkcijam še različne nabore dodatkov, kot so

dodani zunanji regulatorji (običajno s PID strukturo), dodatne krmilne funkcije in večjim

naborom možnih komunikacij ter možnost oddaljenega vodenja. Na spodnji sliki 3.23 je

prikazana razporeditev priključkov močnostnega dela, komunikacije in javljanja napak,

medtem ko je na sliki 3.24 prikazan razpored sponk za krmilni del in vhodno-izhodni del.


- 30 -

Slika 3.23: Specifikacija kanalov oziroma priklopnih sponk [17]

Slika 3.24: Prikaz priklopnih kanalov oziroma sponk [17]

3.3.6.1.2 Priključitev črpalke in frekvenčnega pretvornika

Proizvajalec za pogone dopušča različne možne vrste vodenja. Izbrali smo vodenje z uporabo

brezsenzorske regulacije, kar je prikazano na sliki 3.25. Pomen izrazov je: Variable frequency


- 31 -

drive - Spremenljiv frekvenčni pogon, Power input- priklop omrežne napetosti, Rectifier –

usmernik, Inverter – razsmernik.

Slika 3.25: Priključitev elektromotorja na frekvenčni pretvornik [10]

Slika 3.26: Priključitev po navodilih proizvajalca frekvenčnega pretvornika (levo) in

shematski prikaz razporeditve priključnih sponk vezave zvezda [12]

Slika 3.27: Prikaz priključitve motorja in frekvenčnega pretvornika


- 32 -

Za potrebe nastavljanja fiksnih vrtilnih hitrostih (20, 30, 40, 50 Hz) je bila uporabljena

priključitev s pomočjo zunanjih stikal. Namen tovrstnih priklopov je, da s pomočjo PLC

sistemov preklapljamo različne vrednosti med izbranimi iz tabele. Slika 3.28 prikazuje priklop

stikal in njihovo vezavo na sponke frekvenčnega pretvornika.

Slika 3.28: Priključitev zunanjih stikal po vezalni shemi proizvajalca [10]

Diagram 4: Preklapljanje nastavljivih vrtilnih hitrosti [10]

Diagram 4 prikazuje način spreminjanja vrtilnih hitrosti, glede na položaj priklopljenih stikal

(ali izhodov iz PLC sistemov), za izbor med vrtilnimi hitrostmi podanimi v tabeli. Želene

vrtilne hitrosti nastavimo z spremembo parametrov A20 do A35 tako, da vnesemo vrtilno

hitrost v obliki vrednosti frekvence.


- 33 -

4 OPIS PREIZKUŠEVALIŠČA

Izdelana je bila merilna proga za preizkušanje odzivnosti sistema pri različnih odjemih

oziroma namišljenih potrošnikih, pretokih, tlakih in vrtilnih frekvencah. Preizkuševalno progo

prikazuje slika 4.1, kjer je prikazana dejanska celotna merilna proga z sestavnimi členi in

napravami, ki so na merilni progi nameščene.

Slika 4.1: Prikaz celotne dejanske merilne proge

4.1 Opis merilne proge

4.1.1 Hidravlični del - cevno omrežje in vgrajeni sestavni deli

Za sestavo cevnega omrežja smo uporabili pocinkane vodovodne jeklene cevi, nepovratni

ventil na sesalni strani, večstopenjsko črpalko z asinhronskim motorjem, 90° kolena, t-člene,

reducirne člene, krogelne ventile, sedežne ventile in mehanski vodomer. Posamezni elementi

so dimenzij od 1" do 2".


- 34 -

Slika 4.2: Shematski prikaz celotne merilne proge

Legenda:

V nadaljevanju je prikazan razčlenjen opis merilne proge, sestavnih delov oziroma

posameznih sklopov, ki so shematsko ponazorjeni in opisani.

Iz slike 4.3 je razvidno, da je cevno omrežje v osnovi sestavljeno iz sesalne in tlačne strani,

kjer je tlačna stran sestavljena iz veje A in veje B.

Slika 4.3: Poenostavljen shematski prikaz cevnega omrežja z vejo A in vejo B

Pred pričetkom delovanja je bilo potrebno preveriti skupne tlačne izgube sistema (izračun je

podan v prilogah) ter ugotoviti ali sistem v celoti pokriva te izgube. S tem je bilo določeno

tudi območje delovanja obstoječega sistema.

Pri opisu proge je potrebno poudariti pomanjkljivosti dane merilne proge, saj je bila ta

sestavljena iz razpoložljivih sestavnih delov.


- 35 -

Pomanjkljivosti:

- črpalka ima maksimalni pretok 1.6 l/s in maksimalni tlak 16 bar,

- na tlačni strani se poveča presek cevi iz 1" do 2", ki je potreben zaradi namestitve

ultrazvočnega merilnika pretoka (merilno območje od 2" naprej),

- hitrost ultrazvočnega merilnika je omejena, odzivnost izmerjenega pretoka ni

sorazmerna z tlakom,

- na merilni progi prihaja do nesorazmerij zaradi različnih presekov cevi, povečanje

preseka iz 1" na 2", kar predstavlja +100% in zmanjšanja preseka iz 2" na 1",

- obrabljenost črpalke, saj je ta že prestala 15 letno nenehno obratovanje.

4.1.1.1 Sesalna stran merilne proge

Na sesalni strani cevnega omrežja v sesalnem košu, je nameščen nerjaveč mrežni filter, ki ima

vgrajen mehanski nepovratni element. Nad njim je ravni del 1" cevi, dolžine 1000 mm, sledi

krogelni ventil namenjen za potrebe polnitve cevi z vodo. Nato je na t-členu nameščen

vakuumski merilnik tlaka, ki ima podtlačno merilno območje ter 685 mm ravne cevi do

črpalke. Sledi vertikalna večstopenjska centrifugalna črpalka Grundfos s trifaznim

asinhronskim motorjem s oznako Grundfos MG, ki ga krmili frekvenčni regulator tipa

HITACHI SJ100, električne napetosti 400 V.

Na slikah 4.4 a,b, vidimo sestavne dele sesalne strani merilne proge.

a) b)

Slika 4.4a,b: Prikazuje sestavne dele sesalne strani


- 36 -

4.1.1.2 Tlačna stran merilne proge

Za črpalko je 150 mm ravne cevi, ki se zaključi z 90° kolenom. Nato je nameščen reducirni

člen, ki poveča premer iz 1" na premer 2". Sledi t-člen na katerem je nameščen nadtlačni

manometer oziroma tlačni senzor (uporabljen pri dinamičnem preizkušanju). Nato se cevno

omrežje nadaljuje s 2080 mm dolgim ravnim delom, na katerem smo namestili ultrazvočni

merilnik pretoka FUJI. Na koncu omenjene cevi je na t-členu nameščen drugi nadtlačni

merilnik tlaka, za njim pa t-člen, ki razdvoji omrežje na vejo A in vejo B oziroma na dva

namišljena potrošnika.

Slika 4.5a,b: Prvi manometer na tlačni strani (levo), prvi tlačni senzor na tlačni strani (desno)

Slika 4.6: Ultrazvočni merilnik pretoka


- 37 -

Veja A:

Veja A, se po t-členu reducira iz premera 2" na premer 1", nadaljuje se z ravnim delom na

katerem je nameščen mehanski merilnik pretoka, za njim pa kontrolni nadtlačni manometer.

Cevovod se nadaljuje z 90° kolenom za katerim je nameščen sedežni mehanski ventil, ki je

uporabljen za simulacijo porabe namišljenega potrošnika. Nato sledi ravni del dolžine 970

mm, 90° koleno in ravni del cevi dolžine 700 mm, ki vrača medij, v tem primeru vodo, v

bazen iz katerega na sesalni strani, v istem nivoju črpamo vodo.

Slika 4.7: Kontrolni manometer na tlačni strani

Slika 4.8: Vodomer, drugi tlačni senzor in sedežni ventil


- 38 -

Veja B:

V razcepu prikazanim na sliki 4.9 se prične veja B. Za t-členom, premer cevi do izpusta ostaja

2". Na tem delu je 970 mm ravne cevi. Ravni del cevi se konča z 90° kolenom za katerim je

nameščen sedežni ventil s katerim simuliramo porabo drugega namišljenega potrošnika.

Nadaljujemo z ravnim delom cevi dolžine 700 mm vse do izpusta, preko katerega vračamo

medij, v našem primeru vodo, v bazen iz katerega na sesalni strani, v istem nivoju črpamo

vodo.

Slika 4.9: Veja B, sedežni ventil za simulacijo potrošnikov

4.1.2 Pogonski del merilne proge

4.1.2.1 Vertikalna večstopenjska črpalka Grundfos CR4-100 z vgrajenim asinhronskim

motorjem

Ključni sestavni element merilne proge je vertikalna večstopenjska centrifugalna črpalka

Grundfos z oznako CR4-100, ki jo poganja standardni trifazni Grundfos-ov motor z oznako

MG, električne moči 2.2 kW.

Črpalke CR so vertikalne večstopenjske centrifugalne črpalke. Njihova linijska zasnova

omogoča instalacijo v cevnih sistemih, kjer sta sesalni in tlačni priključek v isti horizontalni

ravnini in istih dimenzij. Ta princip pomeni kompaktnejšo zasnovo črpalke in cevovodov.

Grundfos-ove črpalke CR so na voljo v različnih velikostih in z različnim številom stopenj s

katerimi zagotavljamo ustrezne pretoke in tlake. Črpalke CR so primerne za razne namene od


- 39 -

črpanja pitne vode, do črpanja kemikalij. Uporabljamo jih lahko v širokem spektru črpalnih

sistemov, kjer so za delovanje in materiale črpalk postavljene posebne zahteve.

Črpalke CR so sestavljene iz motorja in črpalne enote. Črpalna enota je sestavljena iz

optimirane hidravlike, različnih tipov priključitev, zunanjega oklepa in različnih drugih delov.

Črpalke CR uporabljamo v različnih materialih v skladu s črpano tekočino. Črpalka je

sestavljena iz osnove in glave črpalke. Sestav komor in zunanji oklep sta pritrjena med glavo

črpalke na osnovo s pomočjo stojnih vijakov. Osnova ima sesalni in tlačni priključek v istem

nivoju (linijsko). Črpalka je opremljena z mehanskim tesnilom osi kartušnega tipa, ki ne

potrebuje vzdrževanja [11].

Slika 4.10: Vertikalna večstopenjska centrifugalna črpalka Grundfos z oznako CR4-100 [11]

Slika 4.11: Območje delovanja črpalke CR4-100, umeščene v merilno progo [11]


- 40 -

Na sliki 4.12 je prikazana večstopenjska črpalka, ki je bila uporabljena v diplomski nalogi.

Slika 4.12: Črpalka Grundfos CR4-100 z vgrajenim asinhronskim motorjem

Slika 4.13 prikazuje črpalko v prerezu z navedbo sestavnih delov.

Slika 4.13: Prikazuje črpalko v prerezu s sestavnimi deli (levo) in opisom na desni strani [11]


- 41 -

4.1.2.2 Pogonski sistem

V poglavju 3.3.6.1, je podrobno opisan uporabljen frekvenčni pretvornik Hitachi SJ100

električne napetosti 400 V, ki krmili trifazni asinhronski motor proizvajalca Grundfos z

nazivno močjo 2,2 kW. Ker dodatnih podatkov o motorju ni bilo možno pridobiti (motor se

ne proizvaja več, na voljo so le novejše izvedenke tega motorja), smo lahko določili le

nekatere podatke na osnovi podanih vrednosti razvidnih iz napisne ploščice:

Priključitev motorja je izvedena v vezavi zvezda (Y-vezava) na medfazno napetost 400 V,

nazivna vrtilna hitrost rotorja pri priklopu na omrežno napetost 50 Hz je 2860 min-1

.

Z napisne ploščice elektromotorja lahko preberemo naslednje podatke:

Oznaka motorja MG 90 LA2-24F115

Moč motorja 2,2 kW

Priključna nazivna napetost D230 / Y400 V

Nazivni tok D8,85 / 5,1 A

Nazivna vrtilna hitrost 2860 min-1

Cos 0,86 / 0,79

Za potrebe določitve karakterističnih lastnosti motorja smo iz kataloških podatkov

proizvajalca[15] pridobil še naslednje vrednosti:

,

in

ter MN = 7,3 Nm.

S temi podatki lahko določimo še vrednosti ob zagonu:

IA = 35,7 A in MA = 21,17 Nm,

ter maksimalni možen moment

MK = 25,55 Nm.

Omenjeni podatki so potrebni za preverjanje priključnih sposobnosti omrežja (varovalka in

presek vodnikov). Ugotovili smo, da priključni vir ustreza potrebam priključitve, prav tako

pa tudi obstoječi vodniki.


- 42 -

4.1.3 Merilni del merilne proge

4.1.3.1 Ultrazvočni merilnik pretoka [18]

Na merilni progi je nameščen ultrazvočni merilnik pretoka Fuji portaflow X, ki omogoča

enostavno merjenje pretokov v ceveh. Omogoča meritve, ki so neodvisne od debeline stene

cevi. Dobljene vrednosti lahko spremljamo na zaslonu same naprave, možna pa je tudi

uporaba tako napetostnega ali tokovnega izhoda za direktno spremljanje meritev. Sam sistem

je možno upravljati tudi s pomočjo serijske komunikacije. [18]

Slika 4.14: Ultrazvočni merilnik pretoka Fuji Portaflow X

Slika 4.14 Prikazuje namestitev ultrazvočnega merilnika, ki deluje na principu ultrazvoka z

dvema sondama, ki jih je potrebno namestiti v določeni razdalji glede na premer cevi, skozi

katero merimo pretok. Slika 4.15 prikazuje shematsko sliko s sestavnimi deli sistema (merilni

sondi nameščeni na cev, povezovalnih vodnikov, centralne merilne naprave s

prikazovalnikom ter tipkovnico in priključnimi mesti za povezavo z računalnikom).

Pretočni časovni ultrazvočni merilniki so zelo primerni za relativno čiste tekočine z nizkim

oziroma zmernim zračenjem. Ti merilniki delujejo na podlagi primerjave časa za ultrazvočni

signal, ki potuje s tokom (navzdol), proti času za ultrazvočni signal za potovanje proti toku

(navzgor). Razlika med tema tranzitnima časoma je sorazmerna pretoku.


- 43 -

Tovrstni merilniki so nameščeni na zunanji strani cevi, kar zagotavlja prednosti pred bolj

tradicionalnimi in invazivnimi instrumenti za merjenje pretoka, kot so vrtinčni merilniki in

merilniki turbinskega pretoka [18].

Slika 4.15: Shematski prikaz segmentov ultrazvočnega merilnika pretoka Fuji Portaflow [18]

Zelo pomemben je izbor pritrdilnega mesta. Detektor montaže lokacije omogoča pravilno

namestitev merilnih sond in s tem zagotovitev pravilnosti rezultatov. Ostali podatki so podani

v prilogi 4, diplomske naloge.

4.1.3.2 Merilniki tlaka uporabljeni v merilni progi

Na merilni progi so bili v preizkuševališču z namenom meritve dejanskih rezultatov,

uporabljeni naslednji merilniki tlaka, ki so prikazani v nadaljevanju.

Na spodnji sliki 4.16 je podan shematski prikaz merilnika tlaka in sestavnih delov.

Slika 4.16: Shema merilnika tlaka


- 44 -

Na sesalni strani merilne proge je bil nameščen podtlačni merilnik tlaka z merilnim območjem

od -1 do 0 bar, ki je prikazan na sliki 4.17.

Slika 4.17: Podtlačni merilnik tlaka od -1 bar do 0 bar

Za črpalko na tlačni strani merilne proge je bil nameščen merilnik tlaka z merilnim območjem

od 0 do 10 bar, ki je prikazan na sliki 4.18.

Slika 4.18: Nadtlačni merilnik tlaka od 0 bar do 10 bar

Za črpalko na tlačni strani merilne proge je bil nameščen merilnik tlaka z merilnim območjem

od 0 do 25 bar, ki je prikazan na sliki 4.19.

Slika 4.19: Nadtlačni merilnik tlaka od 0 bar do 25 bar


- 45 -

Zaradi primerjave dobljenih rezultatov tlačnih meritev smo preverili verodostojnost meritev

še z namestitvijo elektronskega senzorja za merjenja tlaka, ki je prikazan na sliki 4.20.

Slika 4.20: Nadtlačni elektronski senzor od 0 bar do 40 bar

4.1.3.3 Laserski merilnik vrtilne hitrosti

Spodnji sliki prikazujeta izvedbo meritve vrtilne hitrosti. Za meritev je bil uporabljen ročni

laserski merilnik vrtilne hitrosti. Ročni laserski merilnik za določanje vrtilne hitrosti uporablja

odsevnik na vrtečem se delu gredi. Med posameznimi odboji samega signala se meri čas, ki

ga elektronika nato pretvori v želeno obliko, (prikazana je vrtilna hitrost, obodna hitrost ali

čas med dvema prehodoma). Rezultati meritev so namenjeni kontroli vrtilne hitrosti in

preverjanju stabilnosti vrtilne hitrosti, zlasti pri izvajanju statičnih meritev.

Slika 4.21:Odsevnik na gredi motorja in laserski merilnik vrtilne hitrosti


- 46 -

5 MERITVE

Po vzpostavitvi merilne proge smo preverili delovanje vseh členov in naprav, ki so vgrajeni

ali nameščeni na merilni progi. Na podlagi brezhibnega delovanja so bili podani pogoji za

začetek meritev, ki smo jih izvajali na merilni progi. Pri izvedbi meritev smo se odločili za

statične in dinamične meritve.

Slika 5.1: Sliki prikazujeta dejansko merilno progo

5.1 Izvedba statičnih meritev

Statične meritve so potekale tako, da je bila nastavljena konstantna vrtilna hitrost, pri kateri

smo spreminjali odprtje ventila v veji A. Vrednosti smo odčitavali iz manometra na sesalni

veji in manometra za črpalko na tlačni strani, ter pretok. Da bi čim bolje zajeli možna

obratovalna stanja smo spreminjali vrtilno hitrost od minimalne 1214 min-1

(20 Hz) do

vrednosti 3568 min-1

(60 Hz). Minimalno vrtilno hitrost smo izbrali na osnovi priporočil

proizvajalcev elektromotorjev, saj pri nižjih vrtilnih hitrostih ni več zadostnega hlajenja z

vgrajenim ventilatorjem. S tem je bilo določeno tudi polje obratovalnih karakteristik in

delovne točke za dinamične preizkuse.

Preglednica 1, prikazuje izmerjene vrednosti pri vrtilni hitrosti 60 Hz, medtem, ko so ostale

meritve podane v prilogah.


- 47 -

Preglednica 1: Rezultati statičnih meritev pri vrtilni hitrosti 60 Hz

Vrtilna hitrost: 60Hz 3568 min-1

list 15

Poz -Ps P1 dP Q Q p3

bar bar bar l/sek mA bar

0,03 0,03 13,2 13,23 0,2766 6,83 13,2

0,06 0,08 12,8 12,88 0,5488 9,46 12,6

0,09 0,18 12,2 12,38 0,7898 11,61 11,9

0,12 0,4 11,4 11,8 1,044 13,92 11

0,15 0,5 10,8 11,3 1,182 15,11 10,1

0,18 0,6 9,6 10,2 1,378 16,81 8,6

0,21 0,6 9,2 9,8 1,423 17,09 8,3

0,24 0,6 9 9,6 1,443 17,57 8,1

0,27 0,6 9,2 9,8 1,43 17,21 8,2

0,30 0,65 9,1 9,75 1,459 18,2 8,2

0,33 0,75 8,6 9,35 1,559 19,1 7,5

1,00 0,75 7,8 8,55 1,617 19,32 6,5

1,03 0,75 5 5,75 1,646 19,49 4,7

1,06 0,75 4,4 5,15 1,657 19,65 3,1

1,09 0,75 4 4,75 1,655 19,62 2,5

1,12 0,75 3,6 4,35 1,648 19,59 2,2

1,15 0,75 3,3 4,05 1,637 19,04 2

1,18 0,75 3,1 3,85 1,644 19,38 1,8

1,21 0,75 3 3,75 1,628 19,29 1,7

Diagram 5: Prikaz dobljenih rezultatov pri različnih vrtilnih frekvencah, tlakih in pretokih

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

Dp [bar]

Q [l/s]

Q - Dp

1

2

3

4

5

6


- 48 -

Pri tem je krivulja 1 izmerjena pri vrtilni hitrosti 1214 min-1

, 2 izmerjena pri vrtilni hitrosti

1812 min-1

, 3 izmerjena pri vrtilni hitrosti 2418 min-1

, 4 izmerjena pri vrtilni hitrosti 2860

min-1



.

Pri sami predstavitvi krivulj na diagramu 5, ni uporabljena nobena izmed metod glajenja, tako

da so vidna določena odstopanja, ki so posledica tako odčitavanja, kakor tudi obrabljenosti

črpalke.

5.2 Izvedba dinamičnih meritev

Namen preizkusov je bilo ugotoviti možnosti, ki jih daje povezava obstoječega črpalnega

sistema in frekvenčnega regulatorja. Pri izbranem bremenu so bili najprej opravljeni preizkusi

vklopa črpalke na različne vrtilne hitrosti, ki bodo v nadaljevanju prikazani z nastavljenimi

frekvencami podanimi v preglednici 2.

Preglednica 2: Izmerjene vrtilne hitrosti in nastavljene frekvence

Frekvenca

[Hz]

Izmerjena vrtilna

hitrost [min-1

]

20 1212

30 1818

40 2420

50 2860

Frekvenčni pretvornik omogoča predhodno nastavitev želenih frekvenc (skupno 15 različnih

vrednosti). Željene vrednosti lahko nastavljamo z uporabo digitalnih vhodov. Preklopi so bili

izvedeni ročno s pomočjo štirih preklopnih stikal, zaradi preverjanja možnosti uporabe stikal

(tlačnih nivojev), ki predstavljajo najcenejšo obliko krmiljenja.

Eksperimenti so razdeljeni v tri sklope:

- Sklop I: Skok želene vrednosti vrtilne hitrosti (vklop – izklop).

- Sklop II: Skok želene vrednosti iz ene na drugo vrtilno hitrost in nazaj.

- Sklop III: Obratovanje na določenem režimu, vklop motnje in nato preklop vrtilne

hitrosti.


- 49 -

Za izvedbo preizkusa je bilo potrebno nastaviti tudi določene parametre frekvenčnega

pretvornika. Tako je bilo za izvedbo skoka potrebno uporabiti funkcijo mehkega zagona v

trajanju 0,5 sekunde. S tem je bila preprečena prevelika vrednost zagonskega toka ob startu.

5.2.1 Sklop preizkusov I

Opravljeno je bilo večje število preizkusov zaradi preverjanja ponovljivosti, prikazani bodo

zgolj preizkusi, skokov na vrtilne hitrosti, ki smo jih uporabili za teste III sklopa. Slika 5.2

prikazuje skok vrtilne hitrosti na referenčno frekvenco 50 Hz. Prikazan je potek tlaka na

merilnem mestu 2 (pri potrošniku), ki se vzpostavi praktično nemudoma po vklopu samega

sistema (krivulja modre barve). Potek pretoka prikazuje spodnja krivulja (zelene barve) kjer

se lahko zazna pomankljivosti izbranega merilnika pretoka pa tudi same izvedbe

preizkuševališča. Časovni zamik nastane predvsem zaradi slabe odzivnosti merilnika pretoka

in posledice, da se je pred vsakim preizkusom cevni sistem izpraznil.

Slika 5.2: Potek tlaka in pretoka pri skoku vrtilne hitrosti iz mirovanja 0 Hz na 50 Hz

0 4 8 12 16

čas [s]

0

0,8

1,6

2,4

3,2

4

p [b

ar]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

Q [

l/s

]

Skok 0-50Hz

Tlak

Pretok


- 50 -

Slika 5.3: Potek tlaka in pretoka pri skoku vrtilne hitrosti iz mirovanja 0 Hz na 40 Hz

Slika 5.4: Potek tlaka in pretoka pri skoku vrtilna hitrosti iz mirovanja 0 Hz na 30 Hz

Slika 5.5:Potek tlaka in pretoka pri skoku vrtilne hitrosti iz mirovanja 0 Hz na 20 Hz

0 5 10 15 20

čas [s]

0

0,8

1,6

2,4

3,2

4

p [

bar]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

Q [

l/s]

Skok 0-40Hz

Tlak

Pretok

0 4 8 12 16

čas [s]

0

0,8

1,6

2,4

3,2

4

p [

bar]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

Q [

l/s]

Skok 0-30Hz

Tlak

Pretok

0 6 12 18 24

čas [s]

0

0,8

1,6

2,4

3,2

4

p [

bar]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

Q [

l/s

]

0-20Hz

Tlak

Pretok


- 51 -

Opravljeni so bili tudi testi pri nižjih vrtilnih hitrostih. Zaradi slabšega hlajenja samega

elektromotorja (prisilno hlajenje ni bilo uporabljeno), glede na izkušnje proizvajalca

predvsem pri trajnih obremenitvah le te v nadaljevanju niso bile uporabljene. Pri vrtilnih

hitrostih višjih od 50 Hz pa se je znatno povečal tlak, ki bi presegal vrednosti, ki jih običajno

dopuščamo v vodovodnih sistemih, zato smo se omejili predvsem na obratovanja znotraj

frekvenčnega področja 20-50 Hz.

5.2.2 Sklop preizkusov II

Pri drugem sklopu preizkusov so bili obravnavani predvsem skoki vodilne veličine vrtilne

hitrosti iz nižje vrednosti na višjo in nazaj. Tovrstni poizkusi pokažejo predvsem možnost

reagiranja celotnega sistema pri spremembi želene vrednosti vrtilne hitrosti (sočasno to vpliva

tudi na pretok in tlak) ob uporabi konstantnega bremena (potrošnika).

Slika 5.6: Potek tlaka in pretoka pri skoku vrtilne hitrosti iz 20 Hz na 40 Hz in nazaj na 20 Hz

Slika 5.7: Potek tlaka in pretoka pri skoku vrtilne hitrosti iz 20 Hz na 50 Hz in nazaj na 20 Hz

0 7 14 21 28 35

čas [s]

0

0,8

1,6

2,4

3,2

4

p [

bar]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

Q [

l/s]

Skok ref. 20-40-20Hz

Tlak

Pretok

0 6 12 18 24 30

čas [s]

0

0,9

1,8

2,7

3,6

4,5

-0,9

p [

bar]

0

0,07

0,14

0,21

0,28

0,35

-0,07

Q [

l/s

]

Skok ref. 20-50-20 Hz

Tlak

Pretok


- 52 -

Sliki 5.6 in 5.7 prikazujeta potek tlaka pri izbrani razliki vodilne veličine. Izkazalo se je, da so

skoki v območju med temi vrtilnimi hitrostmi za izbran delovni režim, najugodnejši.

5.2.3 Sklop preizkusov III

V zadnjem sklopu je bila preizkušena tudi možnost delovanja pri spremembi velikosti

potrošnika. Kot osnova je bila vzeta predpostavka, da se tlak v omrežju omeji na maksimalno

3 bare, ter da se dodatno na sistemu vključi dodatni potrošnik s povečanjem pretoka za

približno 20%. S tem se približamo možnim realnim primerom v oskrbi z vodo, v stavbah z

več nadstropji, kjer tlak predstavlja pomemben dejavnik pri samem obratovanju.

Slika 5.8: Potek vklopa motnje in prestavljanja vrtilne hitrosti

( 1-Stanje vklopa motnje/vrtilne hitrosti 50 Hz, 0-stanje izklopa motnje /vrtilna hitrost 30 Hz)

Slika 5.9: Potek tlaka in pretoka pri vklopu motnje in preklapljanju vrtilne hitrosti

0 7 14 21 28

čas [s]

vrtljaji

motnja1

1

0

0

0 7 14 21 28

čas [s]

0

0,8

1,6

2,4

3,2

4

p [

bar]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

Q [

l/s]

Skok 30-50Hz

Tlak

Pretok


- 53 -

Sam preizkus je izveden tako, da najprej na stalnem potrošniku dosežemo tlak 1,6 bar, ki

predstavlja hkrati tudi zadostno rezervo za nemoteno oskrbo tega potrošnika. Nato vklopimo

dodaten potrošnik (dodatno odprtje ventila - modra krivulja na sliki 5.8 preide iz stanja 0 v

stanje 1 - vklop potrošnika), ki posledično povzroči padec tlaka na 0,8 bar. Z preklopom na

višjo vrtilno hitrost (50 Hz - rdeča krivulja na sliki 5.8 preide iz stanja 0 v 1) se poveča tlak in

vzpostavi tudi ustrezen pretok zadosten za oba potrošnika. Sledi preklop na nižjo vrtilno

hitrost ( rdeča krivulja na sliki 5.8 preide iz stanja 1 v stanje 0) in nato še odklop dodatnega

potrošnika (modra krivulja na sliki 5.8 preide iz stanja 1 v stanje 0). Sam potek prikazujeta

sliki 5.8 (prikaz poteka vklopa in izklopa dodatnega potrošnika, ter preklopov vrtilne hitrosti

iz pozicije 1, ki predstavlja vrtilno hitrost 30 Hz v pozicijo 2, ki predstavlja vrtilno hitrost 50

Hz in nazaj) in slika 5.9, ki prikazuje potek tlaka in pretoka.


- 54 -

6 KOMENTAR IN ZAKLJUČEK

V praksi se pogosto srečujemo z različnimi obratovalnimi pogoji vodovodnih sistemov, ki jih

narekujejo oziroma zahtevajo potrošniki. Sistemi se morajo navedenim obratovalnim pogojem

ustrezno prilagoditi, kar je bil tudi razlog za izvedbo raziskave, saj je ne glede na

spreminjajoče se zahteve potrošnikov, potrebno nenehno zagotavljati nemoteno oskrbo. Iz

navedenega razloga je pomembno poznati podatke o samem cevovodu in predvsem vrednosti

maksimalnih dopustnih tlakov v omrežju.

Dejstvo, da je asinhronski motor zaradi razmerja sposobnosti, cene in nizkih vzdrževalnih

stroškov postal osnovni pogonski stroj črpalnih sistemov, lahko to izkoristimo za regulacijo in

zagotovitev obratovanja v optimalnem režimu tudi pri spremenljivih pogojih.

Spremembe razmer na strani potrošnikov proizvajalci rešujejo s poseganjem v področje

nastavljivih črpalnih sistemih (Grundfos), z uporabo frekvenčno reguliranih pogonov.

Frekvenčni pretvornik namreč omogoča večje število pristopov k nastavljanju vrtilne hitrosti,

ki so lahko zvezna ali diskretna. Slednje smo v okviru dela uporabili z namenom preveriti

zmožnost sistema za delovanje z daljinskim krmiljenjem, ki bi ga lahko izvajala dodatno

vgrajena tlačna tipala ali nadzornik sistema.

V merilno progo je bila umeščena vertikalna večstopenjska črpalka z asinhronskim

elektromotorjem moči 2,2 kW, krmiljenim s frekvenčnim pretvornikom. Pri sami izvedbi

eksperimentov smo se omejili zgolj na preizkuse vodilnega in motilnega obnašanja z uporabo

krmilnih (uporaba stikal) pristopov, tako da bi bilo v nadaljevanju potrebno še preučiti tudi

delovanje z uporabo zaprto zančne regulacije.

V okviru raziskave je bila izdelana merilna progo s komponentami, ki so bile na voljo. Pri

izvedbi meritev je bilo ugotovljeno, da je samo preizkuševališče izvedeno z določenimi

pomanjkljivostmi, predvsem zaradi neusklajenosti velikosti cevnega sistema z

karakteristikami črpalke. Slednje bi bilo možno izboljšati z razširitvijo črpalnega dela z

dodatno črpalko, ki je še na voljo. Poizkusili smo določiti tudi parametre, ki so ključnega

pomena zlasti za snovanje zaprto-zančnih sistemov, vendar je za tovrstno analizo potrebno

bistveno več dodatnih meritev.

Z diplomsko nalogo je bilo pokazano, da mora upravljavec in skrbnik objektov zelo dobro

poznati sodobne sisteme, ki omogočajo stalno oskrbo ter v celoti razumeti njihove

obratovalne karakteristike. S sočasno uporabo novih principov varčevanja na odjemnih mestih

to lahko zagotovi tako prihranek energije, kot tudi vode, ki je vse bolj pomembna dobrina.


- 55 -

7 VIRI IN LITERATURA

[1] Elektromehanski elementi in sistemi; VS. Velenje

[2] Kraut Bojan. Strojniški priročnik, 8. slovenska izdaja. Tehnička knjiga: Zagreb, 1987

[3] Mitja Kastrevc. Doktorska disertacija: Analiza dinamike pogonske zveze asinhronega

elektromotorja in hidravlične zobniške črpalke. UM, FS, Maribor 2003

[4] Mitja Kastrevc. Matematično modeliranje obnašanja hitrostno nastavljivih črpalk,

Ventil, ISSN 1318-7279 , štev. 3, september 2002, Ljubljana

[5] Povzeto iz Japonske, Electric Machinenry Industry družbe (Jemis-032)

[6] Rudi Pušenjak. Elektrooprema in pogoni; Založništvo Fakultete za strojništvo, Univerze

v Mariboru 1997

[7] Svetovni splet (WWW). http://gauss.fe.uni-lj.si/les/emp; Laboratorij za električne stroje

[8] Svetovni splet (WWW). http://sl.wikipedia.org/wiki/Elektromotor

[9] Svetovni splet (WWW). http://www.goto-avtomation.eu

[10] Svetovni splet (WWW). http://www.hitachi-ds.com.

[11] Svetovni splet (WWW). http://www. net.grundfos.com

[12] Svetovni splet (WWW). http://www.tiba.si

[13] Svetovni splet (WWW). http://www.ro.feri.uni-mb.si/projekti/rlv/semi_rlv.pdf

[14] Svetovni splet (WWW). http://www.grundfos.com/grundfos motors in

www.grundfos.com/grundfos motor book

[15] Svetovni splet (WWW). http:// www. si.grundfos.com/

[16] Svetovni splet (WWW). http://www.svet-el.si/revija

[17] Svetovni splet (WWW). http://www.docsfiles.com/hitachi-SJ100-series-drives-

introduction

[18] Svetovni splet (WWW). http://www.instrumart.com/products/3414/fuji-portaflow-x-

ultrasonic-flow-meter

[19] Škerget Leopold. Notranji tokovi tekočine v vodnikih V: Škerget L. Mehanika tekočin,

prva izdaja: Univerza v Mariboru Tehniška Fakulteta in Univerza v Ljubljani Fakulteta

za strojništvo, 1994.

http://gauss.fe.uni-lj.si/les/emp

http://www.tiba.si/

http://www.grundfos.com/grundfos

http://www.grundfos.com/grundfos

http://si.grundfos.com/

http://www.svet-el.si/revija

http://www.docsfiles.com/hitachi-SJ100-series-drives-introduction

http://www.docsfiles.com/hitachi-SJ100-series-drives-introduction

http://www.instrumart.com/products/3414/fuji-portaflow-x-ultrasonic-flow-meter

http://www.instrumart.com/products/3414/fuji-portaflow-x-ultrasonic-flow-meter


- 56 -

8 PRILOGE

Priloga 1: Preračun linijskih in lokalnih izgub merilne proge

V spodnji preglednici so zajete karakteristike segmentov merilne proge in vstavljene v

enačbe, ki so osnova za preračun linijskih in lokalnih oziroma skupnih tlačnih izgub na

sesalni in na tlačni strani obravnavane merilne proge za en obratovalni režim. V nadaljevanju

bo podan izračun iz katerega je razvidno, da so tlačne izgube znotraj zmožnosti obratovalnega

področja črpalnega sistema.

Preglednica 3: Izračun linijskih in lokalnih izgub merilne proge v Excel-u

Q

SESALNA STRAN

= 0,5 v1= 0,5 v2= 0,7

x1 x2 l [mm] d [mm]

3,9 1,4 1685 27,2 Δp,ses= 4534,283 ρ= 1000

TLAČNA STRAN

T-člen T-člen T-člen

= 0,5 = 0,7 0° = 0,5 90° = 0,7 90°

l [mm] d [mm] x3 x4 l [mm] d [mm] x5 x6 x7 x8 x9 l [mm] d [mm] x10 x11 l [mm] d [mm] x12 x13 Δp,tla,A= 20270,3469

150 27,2 1,13 0,9 2080 53 0,5 0,17 0,9 1,13 3 2320 27,2 1,13 1,4 1670 53 1,4 3 Δp,tla,B= 14973,3354

ΔpS,A 24804,6300

ΔpS,B 19507,6185

Koeficient

nepovratni

ventil

T člen

(koleno)

ravni del

Opis elementa

Koeficient

ravni del koleno

90°

razširite

v

27,25

ravni delOpis elementa

ravni delventil

VEJA B

merilna

ura

koleno

90°ventil

ravni del koleno

90°

VEJA A

zožitev

5327,2

Spodnja shema merilne proge prikazuje oštevilčene sestavne člene merilne proge zaradi

katerih prihaja do lokalnih izgub, ki so označene z grško črko in kjer predstavlja

. Podatki za vrednost posameznih , so vzeti iz vira [2] in

[19].

Slika 8.1:Oštevilčen prikaz sestavnih členov merilne proge, ki povzročajo lokalne izgube


- 57 -

Za izračun skupnih tlačnih izgub merilne proge so bile uporabljene naslednje enačbe:

Kjer je gostota črpalnega medija (v našem primeru vode), težnostni pospešek in H

maksimalna črpalna višina, ki jo lahko premaguje črpalka, umeščena v merilno progo in

izhaja iz dušilne krivulje, ki jo poda proizvajalec.

Skupne izgube:

Enačba za izračun skupnih izgub na sesalni in tlačni strani (14),

Sesalna stran (15)

Tlačna stran, veja A(16)


- 58 -

Tlačna stran, veja B

veji B je bil za obravnavan primer ventil popolnoma zaprt, zato skozi vejo B ni bilo

pretoka.

Skupne izgube, veja A

Dobljeni rezultati skupnih izgub cevnega sistema, ki je bil zgrajen za naše raziskave, nam

predstavlja 0,248 bar, kar je zanemarljivo glede na zmogljivost črpalke, ki je vgrajena v

merilno progo in lahko pri minimalnem pretoku dosega maksimalni tlak 16 bar.

Priloga 2: Enačba za izračun potrebne pogonske moči motorja črpalke (18) [6].

Iz primerjalnih izračunov in dobljenega rezultata je razvidno, da črpalka z vgrajenim

motorjem 2,2 kW zlahka premaguje tlačne padce v sistemu.


- 59 -

Priloga 3. Dimenzije črpalke in električni podatki za motor CR4-100, ki je vgrajen v merilni

progi diplomske naloge.

Slika 8.2: Skicirane mere črpalke in električni podatki [14]


- 60 -

Priloga 4. Izbira pravilne lokacije, namestitve detektorja ultrazvočnega merilnika pretoka

Na sliki 8.3 so prikazane izbire pravilne lokacije namestitve ultrazvočnega merilnika na

vodovodno cev, ki smo ga uporabili v diplomski nalogi in je opisan v poglavju 4.1.3.1

Slika 8.3: Izbira lokacije namestitve merilne letve (detektorja) ultrazvočnega merilnika [18]

Pomembna navodila, ki jih moramo upoštevati pri sami namestitvi oz. izvedbi meritev:

(1) Če je ravni del cevi 10D ali več na dovodni strani in 5D ali več na delovni strani.

(2) Dejavniki, ki ovirajo pretok, kot so črpalke in ventili morajo biti na dovodni strani

oddaljeni približno 30D.

(3) Cevi in ventili morajo bit vedno napolnjeni s tekočino. Zračni mehurčki in tujki v ceveh

ne smejo biti prisotni v tekočini [18].

(4) Za vzdrževanje detektorja, kjer je ta pritrjen moramo imeti okoli cevi vedno dovolj

prostora, kar je prikazano na sliki 8.4.

Opomba 1.) Zagotoviti je potrebno dovolj prostora, da omogoča osebi prostor na obeh straneh

cevi. Opomba 2.) D označuje notranji premer cevi.


- 61 -

Slika 8.4: Pravilna namestitev detektorja ultrazvočnega merilnika [18]

5) Na vodoravnih ceveh, je potrebno namestiti detektor v okviru ± 45 ° od vodoravne ravnine.

Za vertikalne cevi, lahko detektor pritrdimo na katerem koli mestu na zunanjem obodu.

Slika 8.5: Območje namestitve detektorja ultrazvočnega merilnika [18]

(6) Detektorja ne smemo pritrjevati ob delu deformacije, prirobnici ali privarjeni cevi. Slika

8.6 prikazuje pravilno pritrditev.

Slika 8.6:Prikaz pravilne namestitve detektorja ultrazvočnega merilnika [18]


- 62 -

Priloga 5: Rezultati statičnih meritev

Spodaj prikazane preglednice so rezultati statičnih meritev pri različnih frekvencah, ki so

podrobneje opisane v poglavju 5.1 Izvedba statičnih meritev.

Preglednica 4: Rezultati meritev pri vrtilni hitrosti 20 Hz

Vrtilna hitrost: 20Hz 1214min-1

list 13

Poz -Ps P1 dP Q Q

bar bar bar l/sek mA

0,03 0 1,5 1,5 0 4,63

0,06 0 1,5 1,5 0 4,65

0,09 0 1,4 1,4 0 5,35

0,12 0 1,35 1,35 0,07363 6,2

0,15 0,05 1,2 1,25 0,1963 8,02

0,18 0,06 1,1 1,16 0,3547 8,63

0,21 0,07 1,1 1,17 0,4283 9,17

0,24 0,08 1 1,08 0,5243 8,76

0,27 0,08 1 1,08 0,5064 8,84

0,30 0,08 1 1,08 0,5288 9,25

0,33 0,09 1 1,09 0,5265 9,44

1,00 0,1 0,9 1 0,5667 9,89

1,03 0,12 0,8 0,92 0,6135 10,15

1,06 0,13 0,8 0,93 0,6359 10,65

1,09 0,13 0,7 0,83 0,6983 10,75

1,12 0,13 0,7 0,83 0,705 10,76

1,15 0,05 0,7 0,75 0,7072 10,92

1,18 0,15 0,6 0,75 0,705 10,94

1,21 0,15 0,6 0,75 0,7117 10,94

1,24 0,15 0,6 0,75 0,7363 10,94



list 12



0,03 0 3,4 3,4 0 4,48 3,5

0,06 0 3,3 3,3 0,0557 5,1 3,3

0,09 0,02 3,2 3,22 0,2097 6,08 3,2

0,12 0,05 3 3,05 0,3569 8,13 3

0,15 0,1 2,8 2,9 0,5845 9,69 2,7

0,18 0,13 2,6 2,73 0,6693 10,47 2,5

0,21 0,15 2,5 2,65 0,7251 11,02 2,3

0,24 0,18 2,5 2,68 0,7519 11,1 2,2

0,27 0,18 2,4 2,58 0,763 11,22 2,15

0,30 0,18 2,4 2,58 0,7853 11,4 2,1

0,33 0,2 2,3 2,5 0,8054 11,69 2

1,00 0,23 2,2 2,43 0,8859 12,99 1,8

1,03 0,28 2 2,28 0,9594 14,25 1,6

1,06 0,3 1,9 2,2 1,021 13,75 1,4

1,09 0,33 1,7 2,03 1,035 13,78 1,2

1,12 0,35 1,6 1,95 1,075 14,79 1

1,15 0,35 1,6 1,95 1,104 14,13 0,95

1,18 0,35 1,5 1,85 1,112 14,77 0,9

1,21 0,38 1,4 1,78 1,142 14,8 0,8

1,24 0,38 1,4 1,78 1,113 15,09 0,8


- 63 -



list 8



0,03 0 6 6 0,0357 4,81 6,1

0,06 0,02 5,9 5,92 0,1204 5,37 5,9

0,09 0,05 5,8 5,85 0,2789 6,62 5,8

0,12 0,08 5,5 5,58 0,4774 8,57 5,5

0,15 0,08 5,5 5,58 0,531 9,09 5,4

0,18 0,1 5,4 5,5 0,6158 9,82 5,2

0,21 0,13 5,2 5,33 0,6649 10,31 5

0,24 0,18 5 5,18 0,7764 11,46 4,8

0,27 0,2 5 5,2 0,8344 11,86 4,6

0,30 0,23 4,8 5,03 0,8902 12,6 4,4

0,33 0,3 4,5 4,8 1,019 13,48 4

1,00 0,35 4,2 4,55 1,142 14,8 3,5

1,03 0,43 3,8 4,23 1,233 15,78 3

1,06 0,5 3,6 4,1 1,311 16,29 2,7

1,09 0,53 3,3 3,83 1,392 16,98 2,3

1,12 0,55 3,1 3,65 1,436 17,38 2,1

1,15 0,6 3 3,6 1,439 17,56 1,9

1,18 0,6 2,9 3,5 1,465 17,72 1,8

1,21 0,6 2,8 3,4 1,502 17,76 1,7

1,24 0,6 2,8 3,4 1,48 17,9 1,7


Vrtilna hitrost: 50Hz 2860 min-1list 2



0,03 0 9,4 9,4 0,0557 4,79 9,5

0,06 0,02 9,35 9,37 0,1249 5,34 9,45

0,09 0,04 9,3 9,34 0,2186 5,94 9,35

0,12 0,07 9,2 9,27 0,348 7,22 9,15

0,15 0,09 8,9 8,99 0,4797 8,56 8,9

0,18 0,12 8,7 8,82 0,5957 9,52 8,65

0,21 0,15 8,6 8,75 0,6827 10,09 8,4

0,24 0,22 8,3 8,52 0,8456 11,52 8

0,27 0,27 8 8,27 0,917 12,29 7,6

0,30 0,35 7,6 7,95 1,035 13,28 7,1

0,33 0,45 7,2 7,65 1,189 14,57 6,4

1,00 0,53 6,7 7,23 1,352 16,12 5,7

1,03 0,65 6,1 6,75 1,463 17,13 4,9

1,06 0,73 5,4 6,13 1,559 17,84 4,1

1,09 0,75 5 5,75 1,57 18,19 3,6

1,12 0,76 4,4 5,16 1,584 18,22 3

1,15 0,77 4 4,77 1,593 18,33 2,7

1,18 0,77 3,9 4,67 1,602 18,45 2,5

1,21 0,77 3,7 4,47 1,59 18,8 2,3

1,24 0,77 3,7 4,47 1,595 18,58 2,3


- 64 -



list 4



0,03 0,02 11,4 11,42 0,09841 5,24 11,5

0,06 0,05 11,2 11,25 0,2186 6,45 11,25

0,09 0,07 11,1 11,17 0,3146 7,26 11,1

0,12 0,09 10,9 10,99 0,4752 8,99 10,8

0,15 0,15 10,6 10,75 0,6448 10,13 10,4

0,18 0,2 10,3 10,5 0,7586 11,12 10

0,21 0,25 10 10,25 0,8523 12,14 9,6

0,24 0,32 9,6 9,92 1,033 13,88 9,1

0,27 0,38 9,2 9,58 1,106 14,56 8,7

0,30 0,45 8,8 9,25 1,202 15,36 8,2

0,33 0,55 8,4 8,95 1,327 16,14 7,5

1,00 0,65 7,8 8,45 1,459 107,36 6,8

1,03 0,73 7 7,73 1,57 18,63 5,5

1,06 0,75 5,7 6,45 1,599 18,73 4,2

1,09 0,75 4,6 5,35 1,602 19,25 3,3

1,12 0,76 4 4,76 1,593 18,6 2,7

1,15 0,76 3,8 4,56 1,588 19,21 2,4

1,18 0,76 3,6 4,36 1,584 18,83 2,3

1,21 0,76 3,5 4,26 1,597 17,57 2,2

1,24 0,76 3,4 4,16 1,575 17,68 2,1



list 15



0,03 0,03 13,2 13,23 0,2766 6,83 13,2

0,06 0,08 12,8 12,88 0,5488 9,46 12,6

0,09 0,18 12,2 12,38 0,7898 11,61 11,9

0,12 0,4 11,4 11,8 1,044 13,92 11

0,15 0,5 10,8 11,3 1,182 15,11 10,1

0,18 0,6 9,6 10,2 1,378 16,81 8,6

0,21 0,6 9,2 9,8 1,423 17,09 8,3

0,24 0,6 9 9,6 1,443 17,57 8,1

0,27 0,6 9,2 9,8 1,43 17,21 8,2

0,30 0,65 9,1 9,75 1,459 18,2 8,2

0,33 0,75 8,6 9,35 1,559 19,1 7,5

1,00 0,75 7,8 8,55 1,617 19,32 6,5

1,03 0,75 5 5,75 1,646 19,49 4,7

1,06 0,75 4,4 5,15 1,657 19,65 3,1

1,09 0,75 4 4,75 1,655 19,62 2,5

1,12 0,75 3,6 4,35 1,648 19,59 2,2

1,15 0,75 3,3 4,05 1,637 19,04 2

1,18 0,75 3,1 3,85 1,644 19,38 1,8

1,21 0,75 3 3,75 1,628 19,29 1,7

Documents

UNIVERZA V MARIBORU - core.ac.uk · Ključne besede: črpalka, asinhronski elektromotor, frekvenčni pretvornik, frekvenčno krmiljen asinhronski elektromotor, meritev karakteristik,