Асинхронные двигатели

Введение

Компрессоры применяются во многих отраслях народного хозяйства: химической, нефтяной, газовой и машиностроительной, на транспорте, в металлургии, геологии, геодезии, строительстве, агропромышленном комплексе, а также в новых перспективных направлениях техники и технологии, в частности, в космонавтике, робототехнике, производстве искусственного топлива и др.  От эффективности и надежности его работы зависят КПД и долговечность установки в целом.

Компрессоры – это устройства для создания направленного тока газа под давлением. Компрессорные установки довольно сильно распространены, они широко используются в холодильных установках, в пневматических устройствах, а также в контрольно-измерительной аппаратуре.

Компрессоры, упрощенно, состоят из: Электродвигателя или привода; Нагнетающей установки; Емкостей для сжатого газа; Соединительных шлангов и труб.

Электродвигатели применяемые в компрессорных установках могут быть постоянного и переменного тока. Двигатели переменного тока делятся на синхронные и на асинхронные. Асинхронные двигатели в свою очередь на АД с короткозамкнутым ротором и АД с фазным ротором.

 Асинхронные двигателей с короткозамкнутым ротором преимуществами для их установки в компрессоре является их экономичность, простота, удобство конструкции и большая надежности работы. Их недостатки это пусковой ток, который в 5 – 7 раз превышает номинальный ток двигателя и малый пусковой момент.

Асинхронные двигатели используют гораздо реже (в основном в центробежных насосах). Они используются в маломощных сетях или если требуется значительный пусковой момент (при относительно небольшом пусковом токе). Но у них сложная пускорегулирующая аппаратура и требуется уход за щетками и кольцами.

Синхронные двигатели используются в компрессорах большой мощности (более 100 кВт). У  них очень высокий коэффициент мощности (cosj = 1) и они не очень восприимчивы к изменениям нагрузки. Но в тоже время они значительно дороже асинхронных двигателей и при пуске у них наблюдаются те же недостатки что и у АД с короткозамкнутым ротором.

Линейные электроприводы бывают электромагнитными, магнитоэлектрическими и индукционными. У них низкий КПД, но они все равно эффективны (из-за отсутствия кривошипно-шатунного механизма и соответствующих потерь на трение). Они применяются  в основном при небольших поршневых усилиях и при малом ходе поршня.

Нагнетающие устройства это устройства которые под действием силы приложенной от привода нагнетает газ в специальные емкости, которые способны выдержать то давление которое может создать компрессор.

Компрессор очень важная установка она применяется от банальных (охлаждение бытового холодильника) до космических (охлаждение жидкостных ускорителей ракетоносителя).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виды компрессоров

1.Объёмные (поршневые, ротационные), в  которых сжатие газа происходит при уменьшении замкнутого объёма;

2.Лопаточные (центробежные и осевые) в которых силовое воздействие  на газ осуществляется вращающимися  лопатками, и струйные, принцип действия  которых подобен струйным насосам.

Поршневые компрессоры - одни из самых распространённых видов компрессоров. Оптимальное решение для задач, не требующих сверхпроизводительности. Эта технология используется для сжатия воздуха с начала ХХ века, в силу простоты технической реализации. Поршневые компрессоры, до недавнего времени, являлись основным типом воздушных компрессоров. Они широко используются в установках с двигателями внутреннего сгорания.

Винтовые компрессоры являются подтипом роторных компрессоров. Они отличаются высокой надёжностью и малыми габаритами.

Мембранный компрессор по принципу действия скорее можно отнести к поршневым компрессорам. Сжатие газа в этих компрессорах происходит в процессе уменьшения объема камеры сжатия, вследствие поступательного движения поршня. В роли поршня выступает круглая гибкая мембрана, зажатая по периметру между крышкой и цилиндром.

Компрессоры могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми. Последние используются для получения больших давлений.

Компрессоры строятся стационарными и передвижными; горизонтальными, вертикальными и с наклонным расположением цилиндров; одноступенчатыми и многоступенчатыми; одноцилиндровыми и многоцилиндровыми.

Рис. 1. Винтовая пара

Конструкция винтового компрессора запатентована в 1934 году. Надежность в работе, малая металлоемкость и габаритные размеры предопределили их широкое распространение. Винтовые компрессоры успешно конкурируют с другими типами объемных компрессорных машин, практически полностью вытеснив их в передвижных компрессорных станциях, судовых холодильных установках. Типовая конструкция компрессора сухого сжатия работает без подачи масла в рабочую полость. Компрессор имеет два винтовых ротора. Ведущий ротор с выпуклой нарезкой соединен непосредственно или через зубчатую передачу с двигателем.

На ведомом роторе нарезка с вогнутыми впадинами. Роторы расположены в разъёмном корпусе, имеющем один или несколько разъемов. В корпусе выполнены расточки под винты, подшипники и уплотнения, а также камеры всасывания и нагнетания.

Высокие частоты вращения винтовых компрессоров определяют применение в них опорных и упорных подшипников скольжения.

Между подшипниковыми камерами и винтовой частью роторов, в которых сжимается газ, расположены узлы уплотнений, состоящие из набора графитовых и баббитовых колец. В камеры между группами колец подается запирающий газ, препятствующий попаданию масла из подшипниковых узлов в сжимаемый газ, а также газа в подшипниковые камеры.

Касание винтов роторов при отсутствии смазки недопустимо, поэтому между ними оставляют минимальный зазор, обеспечивающий безопасную работу компрессора, а синхронная частота вращения ведущего и ведомого роторов обеспечивается наружными синхронизирующими шестернями. Винтовые поверхности роторов и стенок корпуса образуют рабочие камеры. При вращении роторов объём камер увеличивается, когда выступы роторов удаляются от впадин и происходит процесс всасывания. Когда объём камер достигает максимума, процесс всасывания заканчивается и камеры оказываются изолированными стенками корпуса и крышками от всасывающего и нагнетательного патрубков.

При дальнейшем вращении во впадину ведомого ротора начинает внедряться сопряженный выступ ведущего ротора. Внедрение начинается у переднего торца и постепенно распространяется к нагнетательному окну. С некоторого момента времени обе винтовые поверхности объединяются в общую полость, объем которой непрерывно уменьшается благодаря поступательному перемещению линии контакта сопряженных элементов в направлении к нагнетательному окну. Дальнейшее вращение роторов приводит к вытеснению газа из полости в нагнетательный патрубок. Из-за того, что частота вращения роторов значительна и одновременно существует несколько камер, компрессор создает равномерный поток газа.

Отсутствие клапанов и неуравновешенных механических сил обеспечивают винтовым компрессорам высокие рабочие частоты вращения, т.е. получать большую производительность при сравнительно небольших внешних габаритах.

Маслозаполненные компрессоры допускают меньшие скорости вращения, чем компрессоры «сухого сжатия». Масло в рабочую полость винтового компрессора подается с целью уменьшения перетечек через внутренние зазоры, смазки винтового зацепления роторов и охлаждения сжимаемого газа.

                

 

                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Преимущества винтового компрессора.

Высокий коэффициент полезного действия (до 99%); работа в непрерывном интенсивном режиме; низкий уровень шума и вибрации; возможность установки непосредственно вблизи потребителя; снижение энергозатрат на производство сжатого воздуха; безопасность и высокая надежность; длительный период работы между техническими обслуживаниями.

 

 

Рис. 2. Общий вид винтовых компрессоров

2-поршень, 3-всасывающий клапан.

Рис. 3. Принципиальная схема и идеальный цикл компрессора простого действия.

Принципиальная схема и цикл одноступенчатого одноцилиндрового горизонтального компрессора представлен на рис. 3. При движении поршня 2 слева направо давление газа в цилиндре становится меньше давления во всасывающем патрубке. Всасывающий клапан (клапаны обозначены цифрой 3) открывается и по мере движения поршня вправо полость цилиндра заполняется газом теоретически по линии 4-1. При обратном движении поршня справа налево всасывающий клапан закрывается и поршень сжимает газ теоретически по кривой 1-2, пока давление в цилиндре не достигнет давления Р2, равного давлению газа в нагнетательной линии трубопровода. Открывается нагнетательный клапан и поршень выталкивает газ в нагнетательную линию трубопровода при постоянном давлении Р2 (линия 2-3). В начале нового хода поршня слева направо вновь открывается всасывающий клапан, давление в цилиндре падает с Р2, до Р1 теоретически мгновенно (линия 3-4) и процесс повторяется.

При рассмотрении идеального цикла поршневого компрессора принимают следующие допущения: 1. Отсутствуют сопротивления движению потока газа (в том числе и в клапанах). 2. Давление и температура газа во всасывающей и нагнетательной линиях постоянны. 3. Давление и температура газа в период всасывания, так же как и в период выталкивания газа из цилиндра, не меняются. 4.Мертвое (вредное) пространство в цилиндре компрессора отсутствует. 5. Нет потерь мощности на трение и нет утечек газа.

При изотермическом процессе газ сжимается по кривой 1-2"', при адиабатическом 1-2", а при политропическом 1-2 или 1-2'. Рассматривая политропический процесс 1-2, видим, что за этот период цикла объем газа уменьшится с V1 до V2, давление изменится от р1 до р2, а температура - от Т1 до Т2. При нагнетании газа в трубопровод (2-3) давление и температура газа остаются неизменными (р2 и Т2). Весь объем газа V2 переходит в нагнетательный трубопровод. За период 3-4 в цилиндре снижается давление до давления во всасывающем трубопроводе (р1). Период всасывания (4-1) характеризуется постоянным давлением Р1 и температурой газа Т1, в цилиндр поступает объем газа, равный V1. Работа сжатия газа от давления всасывания р1 до давления нагнетания р2 в цилиндре компрессора за время одного цикла характеризуется площадью индикаторной диаграммы, ограниченной линиями, которые соединяют точки 1-2-3-4. В случае идеального процесса, когда исключены все непроизводительные потери энергии, затрачиваемая энергия равна полезной. Таким образом, индикаторная диаграмма в этом случае дает величину затрачиваемой и полезной работы. При изотермическом процессе газ сжимается без нагрева и выходит с меньшей температурой, чем при адиабатическом или политропическом процессах. Поскольку компрессор предназначен только для сжатия и перемещения газа, то повышение его температуры не является полезной для нас частью работы. Поэтому изотермический процесс (без нагрева газа) более выгоден. При этом процессе на сжатие газа от давления р1 до давления р2 затрачивается меньше энергии (см. рис. 3, площадь 1-2"'-3-4 наименьшая). Однако изотермический процесс трудно осуществить на практике, и компрессоры работают при политропическом или адиабатическом процессе. В реальном компрессоре в силу сопротивления нагнетательного клапана и трубопровода давление р2* (точка m на рис.4) в конце сжатия и при нагнетании выше давления р2 среды, куда происходит нагнетания. Поэтому нагнетание изобразится линией 2-m-3. Выступ m в начале нагнетания обусловлен инерцией нагнетательного клапана. От точки 3 рабочее тело, оставшееся во вредном пространстве, расширяется - линия 3-4 (рис.4), и реальная индикаторная диаграмма компрессора замыкается.

 

Рис. 4. Реальная индикаторная диаграмма поршневого компрессора

При поступлении в цилиндр рабочее тело получает тепло от стенок цилиндра, так как температура его при всасывании ниже температуры стенок. Кроме того, оно получает тепло от смешения с газом или паром, оставшимся во вредном пространстве от предыдущего цикла работы и расширившимся до давления всасывания р1*. В результате температура рабочего тела t1* оказывается больше температуры  тело получает тепло от стенок цилиндра, так как температура его при всасывании ниже температуры стенок. Кроме того, оно получает тепло от смешения с газом или паром, оставшимся во вредном пространстве от предыдущего цикла работы и расширившимся до давления всасывания р1*. В результате температура рабочего тела t1* оказывается больше температуры среды t1, из которой происходит всасывание. Поэтому объем рабочего тела, действительно всасываемого в цилиндр за один ход поршня, т.е. всасываемый объем при параметрах р1* и t1*, изображается на индикаторной диаграмме отрезком Vд. Рабочий объем цилиндра - объем между крайними положениями поршня - обозначен Vт.

Отношение

λ = (1)

определяет уменьшение производительности компрессора, обусловленное наличием вредного пространства, понижением давления и повышением температуры при всасывании, и называется объемным коэффициентом,( коэффициентом подачи компрессора, коэффициентом производительности). Можно принимать λ = 0,8 ÷ 0,85. На форму индикаторной диаграммы, помимо других факторов, влияет величина объёма между днищем поршня в крайнем левом положении и крышкой. Перед всасыванием всегда сначала происходит расширение сжатых газов, которые содержатся в указанном объёме ( кривая 3 - 0 ), затем начинается всасывание непосредственно ( кривая 0 - 1) при давление ниже атмосферного.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициенты полезного действия компрессора.

Для определения полезной внешней работы в компрессоре при сжатии газа необходимо вычислить интеграл:

* = ∫ v dp (2)

Что требует знания зависимости между объёмом v и давлением p в процессе сжатия, установление которой в общем случае представляет значительные трудности. Поэтому процесс сжатия в компрессоре принимают таким, чтобы вычисление интеграла оказалось достаточно простым. В качестве такого процесса выбирают обратимый адиабатный или изотермический процесс. Но тогда величина l*, вычисленная в каком-либо из этих процессов, отнесенная к li* (работе сжатия в реальном процессе, её называют так же индикаторной работой), представляет собой в сущности некоторый условный коэффициент, который характеризует степень приближения работы реального компрессора к работе компрессора с выбранным процессом сжатия. Работу сжатия газа в компрессоре для любого процесса можно найти, используя формулы технической термодинамики.