Регулируемый электропривод насосных и вентиляторных установок горных предприятий

ÃÎÐÍÀß ÝËÅÊÒÐÎÌÅÕÀÍÈÊÀ
ÃÎÐÍÀß ÝËÅÊÒÐÎÌÅÕÀÍÈÊÀ

2011

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ГОРНАЯ КНИГА»
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ГОРНАЯ КНИГА»
МОСКВА

РЕГУЛИРУЕМЫЙ
ЭЛЕКТРОПРИВОД
НАСОСНЫХ
И ВЕНТИЛЯТОРНЫХ
УСТАНОВОК
ГОРНЫХ
ПРЕДПРИЯТИЙ

РЕГУЛИРУЕМЫЙ
ЭЛЕКТРОПРИВОД
НАСОСНЫХ
И ВЕНТИЛЯТОРНЫХ
УСТАНОВОК
ГОРНЫХ
ПРЕДПРИЯТИЙ

В.Н. Фащиленко

Допущено Учебно-методическим объединением вузов
Российской Федерации по образованию в области
горного дела в качестве учебного пособия
для студентов вузов, обучающихся по специальности
«Электропривод и автоматика промышленных установок
и технологических комплексов» (квалификация —
горный инженер) направления подготовки
«Электротехника, электромеханика
и электротехнологии»

Допущено Учебно-методическим объединением вузов
Российской Федерации по образованию в области
горного дела в качестве учебного пособия
для студентов вузов, обучающихся по специальности
«Электропривод и автоматика промышленных установок
и технологических комплексов» (квалификация —
горный инженер) направления подготовки
«Электротехника, электромеханика
и электротехнологии»

УДК 62-83:622.63:622.53  
ББК   31.291:31.56:31.76 
          Ф 12 
 
Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для 
взрослых» СанПиН 1.2.1253—03, утвержденным Главным государственным 
санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). Санитарноэпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека № 77.99.60.953.Д. 012634.11.10 

Экспертиза проведена Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области горного дела (письмо № 51-37/6 
от 09.04.2009) 
Рецензенты: 
• д-р техн. наук, проф. М.С. Ершов (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина);  
• канд. техн. наук, проф. А.Д. Яризов (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина);  
• д-р техн. наук, проф. Ю.В. Шевырев (РГГУ) 

 
 
Ф 12

Фащиленко В.Н. 
Регулируемый электропривод насосных и вентиляторных установок горных предприятий: Учеб. пособие. — М.: Издательство «Горная книга»,
2011. —260. с.: ил. 

ISBN 978-5-98672-189-7 (в пер.) 
 
 
Изложены принципы построения систем регулируемого электропривода центробежных машин, применяемых в горном производстве. Рассмотрены способы
оптимального управления по динамическим и точностным параметрам электроприводами переменного тока насосных и вентиляторных установок. Приведены методики расчета параметров разомкнутых и замкнутых систем управления. Даны примеры расчетов как рабочих характеристик насосов и вентиляторов,
определяющих свойства электроприводов, так и статических характеристик регулируемых электроприводов. Предложены модели насосных и вентиляторных
агрегатов в среде MatLab с использованием средств визуального моделирования Simulink для исследования электромеханических процессов, происходящих в центробежных машинах. 
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» (квалификация — горный инженер) направления подготовки дипломированных специалистов «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».  Может быть полезно специалистам, занятым разработкой, внедрением и эксплуатацией электроприводов вентиляторных и насосных установок. 

УДК 62-83:622.63:622.53 

ББК 31.291:31.56:31.76  

ISBN 978-5-98672-189-7 
© В.Н. Фащиленко, 2011 
© Издательство «Горная книга», 2011 
© Дизайн книги. Издательство «Горная книга», 
2011 

ВВЕДЕНИЕ 

Система регулируемого электропривода в насосных уста
новках применяется в тех случаях, когда необходимо привести 
в соответствие режим работы насоса с режимом работы водопроводной сети. Водопотребление большинства потребителей 
непрерывно изменяется во времени по случайно-вероятностным 
законам. Диапазон изменения водопотребления довольно широк, колеблется в пределах 1,2:1—1,5:1. Чтобы отслеживать эти 
изменения, необходимо непрерывно регулировать режим работы 
насосной установки. 

Процесс регулирования осложнен несоответствием харак
теристик центробежных насосов и трубопроводов. Для увеличения подачи воды по трубопроводу напор на насосной станции 
необходимо увеличивать, однако характеристики центробежных насосов таковы, что напор падает при увеличении подачи. 
При уменьшении же подачи воды напор увеличивается. Поэтому 
в периоды уменьшенного водопотребления система работает с 
избыточным напором и его приходится гасить на задвижках и 
дросселирующих устройствах. Это приводит к избыточному потреблению электроэнергии, возникновению прорывов труб и дополнительным утечкам. Замечено, что наиболее часто аварии, 
связанные с прорывом труб в коммунальной сфере, случаются 
в ночное время, когда резко падает водопотребление. 

Аналогичные процессы происходят в вентиляторных уста
новках. Характеристики вентиляторов по своему виду похожи 
на характеристики насосов, а характеристики воздуховодов — 
характеристикам трубопроводов системы водоснабжения. Поэтому в вентиляторных установках тоже имеется несоответствие между характеристиками вентиляторов и воздуховодов. 

Несоответствие характеристик можно устранить различны
ми способами. Наибольшее распространение получила система 
регулирования частоты вращения насосов и вентиляторов средствами регулируемого электропривода из-за его высокой энерго

эффективности. Частота вращения насосов должна регулироваться в соответствии с водопотреблением, а вентиляторов в соответствии с воздухопотреблением. При уменьшении частоты 
вращения уменьшается подача и развиваемый напор (давление). 
При увеличении частоты вращения напор (давление) увеличивается одновременно с увеличением подачи.  

Энергетическая эффективность при изменении частоты вра
щения рабочих колес турбомашин доказана давно, однако на 
вопросы энергосбережения в отечественных насосных и вентиляторных установках длительное время не обращали серьезного внимания. Этому способствовали два основных фактора: низкие тарифы на электроэнергию и низкая надежность энергосберегающего оборудования. Положение существенно изменилось в 70-х годах прошлого столетия, когда разразился мировой 
энергетический кризис. В результате выявилась истинная ценность энергетических ресурсов и появилась возможность создания достаточно надежных регулируемых электроприводов с 
полупроводниковой техникой и систем управления на базе 
микроконтроллеров и микропроцессорной техники. 

В настоящее время горная промышленность использует ре
гулируемые электропривода насосных установок в основном для 
процессов обогащения полезных ископаемых, в оборотных системах водоснабжения, для подачи чистой воды, как для населения градообразующих предприятий, так и для технологических нужд. Здесь используется система автоматического управления со стабилизацией давления в трубопроводе и стабилизацией уровня в зумпфах для гидротранспорта. В некоторых случаях отмечено применение регулируемых электроприводов в 
системах водоотлива шахт, рудников и карьеров со стабилизацией уровня в водосборных зумпфах.  

Регулируемые электропривода вентиляторных установок ис
пользуются в системах проветривания тупиковых выработок, калориферных установках для обогрева шахтных стволов в холодное время года, калориферных установках для обогрева производственных помещений, воздуходувок в котельных для сжигания топлива и т.д. 

ÃËÀÂÀ 1
ÃËÀÂÀ 1

РЕЖИМЫ
РАБОТЫ
ТУРБОМАШИН

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАСОСНЫХ, 
ВЕНТИЛЯТОРНЫХ И КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВКАХ 
 
1.1.1. Насосные установки 
 

Гидравлическая машина, создающая напорное перемеще
ние жидкости при сообщении ей энергии, называется насосом. 
Насос в совокупности с электроприводом и передаточным механизмом образует насосный агрегат. Комплекс оборудования, обеспечивающий работу насосов в требуемом режиме, 
состоящей из насосных агрегатов, трубопроводов, запорной 
или регулирующей арматуры, аппаратуры управления и защиты 
образуют насосную установку. 

Основными параметрами, характеризующими режим работы 

насосной установки, являются напор (давление) и подача. 

Давление — это разность удельных энергий жидкости в 

напорном и всасывающем патрубках насоса, необходимая для 
подъема жидкости на заданную высоту и для преодоления сил 
трения в трубопроводе. В настоящее время используются различные единицы измерения давления. Соотношения между 
единицами измерения давления приведены в табл. 1.1. 

Подача — это объем жидкости, перекачиваемой насосной 

установкой за единицу времени (м3/час, м3/мин, м3/с и т.д.). 

В зависимости от назначения и рода перекачиваемой жидко
сти насосные установки подразделяются на водопроводные, нефтеперекачивающие, теплофикационные, гидротранспортные и др. 

На современных насосных установках получили распростра
нение лопастные насосы: центробежные и осевые. В центробежных насосах внутри неподвижного корпуса, имеющего 
спиральную форму, находится рабочее колесо, закрепленное 
на валу. Колесо состоит из двух дисков, между которыми расположены лопасти. Корпус насоса соединен с всасывающим и 
напорным трубопроводами с помощью патрубков. Если корпус 
насоса и его всасывающий трубопровод наполнить жидкостью, 

а затем привести во вращение рабочее колесо, то жидкость под 
действием лопастей рабочего колеса приходит во вращение. 
Центробежные силы перемещают жидкость на периферию, где 
создается повышенное давление, а в центре колеса — разрежение. За счет этой разности давлений жидкость поступает в 
напорный трубопровод. Так осуществляется непрерывная подача жидкости насосом. 

Таблица 1.1 

Таблица соотношений между единицами измерения давления 

Единицы 
измерения 
кПа 
бар 
кгс/см2 
м вод.ст. 
(при 4°С) 

мм 

рт.ст. 
атм 

кПа 
1 
10-2 
1,0197.10-2 
0,101972 
7,50062 
0,9869.10-2 

бар 
100 
1 
1,01972 
10,1972 
750,062 
0,9869 

кгс/см2 
98,0665 
0,980665 
1 
10 
735,559 
0,96784 

м вод.ст. 
(при 4°С) 
9,80665 
9,8066.10-2 
0,1 
1 
73,5559 
9,6784.10-2 

мм рт.ст. 
0,133322 
1,3332.10-3 
1,3595.10-3 
1,3595.10-2 
1 
1,3158.10-3 

атм 
101,325 
1,01325 
1,0332 
10,3508 
760 
1 

Рабочее колесо осевых насосов вращается в сферической 

камере. При воздействии лопастей рабочего колеса на жидкость за счет изменения скорости течения давление над лопастью повышается, а под ней понижается. Благодаря разности 
давлений жидкость перемещается вдоль оси насоса. Осевые 
насосы изготавливаются двух типов: с жестко закрепленными 
лопастями рабочего колеса и с поворотными лопастями. Возможность изменения угла установки лопастей позволяет регулировать подачу и напор в широких пределах при сохранении 
высоких значений КПД. 

Для привода насосов используются преимущественно асин
хронные с короткозамкнутым ротором и синхронные двигатели переменного тока. В некоторых случаях используются асинхронные электродвигатели с фазным ротором. Электродвигатели 
мощностью до 400 кВт выполняются на напряжение 380 и 660 В, 
а выше этой мощности — на 6—10 кВ.