Система управления асинхронным двигателем

• Введение
• 1. Технологическая часть
• 1.1 Анализ технологического процесса
• 1.2 Описание промышленной установки
• 2. Выбор систем электропривода и автоматизации промышленной установки
• 2.1 Литературный обзор по теме дипломного проекта
• 2.2 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу и системе автоматизации
• 2.3 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода
• 2.4 Определение возможных вариантов и выбор рациональной системы электропривода
• 3. Выбор электродвигателя
• 3.1 Построение нагрузочной диаграммы электропривода
• 4. проектирование силовой схемы автоматизированного электропривода и выбор комплектного преобразователя электрической энергии
• 4.1 Определение возможных вариантов и обоснование выбора типа комплектного преобразователя
• 4.2 Расчет параметров и выбор элементов силовой цепи
• 5. Проектирование системы автоматического управления
• 5.1 Разработка математической модели автоматизированного электропривода
• 5.2 Расчет параметров объекта управления
• 5.3 Определение параметров и структуры управляющего устройства
• 6. анализ динамических и статических характеристик электропривода
• 6.1 Разработка имитационной модели электропривода
• 6.2 Расчет и определение показателей качества переходных процессов
• 6.3 Построение статических характеристик электропривода
• 7. Выбор и проектирование системы автоматизации производственной установки
• 7.1 Формализация условий работы установки
• 7.2 Разработка алгоритма и программы управления
• 7.3 Разработка функциональной логической схемы
• 8. Проектирование конструкции узла системы автоматизированного электропривода
• 9. Проектирование схемы электроснабжения и защиты установки
• 9.1. Выбор аппаратов, проводов и кабелей
• 9.2. Таблица перечня элементов электрооборудования производственной установки
• 10. Охрана труда
• 10.1 Производственная санитария
• 10.2 Техника безопасности
• 10.3 Пожарная безопасность
• 11. Экономическое обоснование технических решений
• Заключение
• Список использованных источников

В настоящее время электропривод подавляющего большинства механизмов по техническим требованиям и в пределах реализуемой мощности машины может быть выполнен на основе асинхронного короткозамкнутого двигателя. Примерами таких могут механизмов служить водяные и воздушные насосы, вентиляционные и компрессорные установки, лифты и различные подъемники, эскалаторы и т. д. При работе этого оборудования необходимо изменять режимы работы электродвигателей в широких пределах. Но главной целью является максимальная экономия электроэнергии. Поэтому, вопрос выбора системы управления асинхронным двигателем является очень важным этапом проектирования оборудования.

Современная система управления асинхронным двигателем должна обеспечивать максимальную экономию электроэнергии, высокую точность регулирования частоты, оптимальный закон управления, иметь высокую надежность и невысокую стоимость. Такие системы управления строятся на базе микропроцессоров и позволяют достигнуть высоких показателей требуемых технологических параметров.

Целью данного дипломного проекта является разработка системы управления асинхронным двигателем на базе однокристального микроконтроллера удовлетворяющей современной высоким технологическим требованиям.

Проектируемую систему планируется применять для управления асинхронными короткозамкнутыми двигателями мощностью до 50 КВт, питающимися от промышленной трехфазной сети. Данная система может применяться в водяных насосах, вентиляционных установках, компрессорах небольшой мощности. Она должна работать как при нормальных, так и при аварийных режимах.

Дополнительным требованием является возможность управления на расстоянии от контролируемой установки в условиях высоких помех, создаваемых мощным электрооборудованием. Это позволяет обслуживающему персоналу, наблюдая за технологическим процессом, точнее определить и настроить режим работы, а так же уменьшает опасность производственного травматизма.

1. Технологическая часть

1.1 Анализ технологического процесса

Насос — гидравлическая машина, в которой энергия привода преобразуется в энергию жидкости. Гидравлическими машинами называются технические устройства, преобразующие механическую энергию привода в механическую энергию жидкости, или, наоборот, механическую энергию жидкости в механическую энергию привода.

Для технологического водоснабжения Вилейского ГМЗ используется забор воды из городской сети и, в наиболее загруженные часы, когда давление падает ниже 2 атм., из собственной скважины. Из скважины вода поступает в напорную башню, а оттуда по необходимости закачивается в технологическую сеть. Данная система насосов рис 1.1 работает в режиме поддержания давления (напора).

Схема заводского водоснабжения

Рис. 1.1

Система технологического водоснабжения неавтоматизированная, нет постоянного контроля давления в сети, включение подкачивающего насоса производится вручную в соответствии с накопленным опытом персонала, зачастую насос работает, выдавая излишнее давление, более 3 атм., или недостаточное, менее 3 атм. Качество водоснабжения сказывается на производительности завода и потребительских свойствах продукции.

1.2 Описание промышленной установки

Основными параметрами и характеристиками насосного оборудования являются давление, напор, подача, мощность.

Давление, создаваемое насосом,Ї разность удельных энергий рабочей жидкости между всасывающим и нагнетающим патрубками:

где Р_Н и Р_ВЇ абсолютные давления на выходе и входе, Па; V_H и V_BЇ скорость жидкости на выходе и входе, м/c; Z_H и Z_BЇ высоты точек замера давления от плоскости сравнения, м; сЇ плотность жидкости, кг/м³; gЇ ускорение свободного падения (9,8 м/с²).

Скорости жидкости на входе V_B выходеV_Hопределятся по формулам:

V_H=Q/S_H; и V_B=Q/S_B,

где QЇ подача насоса, м³/с; S_H и S_BЇ площади проходного сечения в местах измерения давлений P_Н и P_В, м³.

На практике, когда речь идет о динамических насосах, чаще используется понятие напора, которое измеряется в метрах столба жидкости (чаще всегоЇ воды), м.

Напор Н=Р/с?g.

На основании 2-х последних формул:

.

Подача насоса QЇ объем (масса) рабочей среды, подаваемой машиной в единицу времени. Подача измеряется в м³/с, м³/час, л/с, л/мин. Массовая подача Q_m измеряется в кг/с, т/ч. Если известна массовая подача Q_m, то объемная подача Q определяется из соотношения Q=Q_m/с.

При характеристике насосов различают:

оптимальную подачу QоптЇ при оптимальном КПД;

номинальную подачу QномЇ определенную по техническим условиям на поставку насоса;

минимальную Q мин и Q макс максимальную подачиЇ предельные значения подач, которыми ограничивается рабочая область насоса.

Мощность насоса (компрессора) PЇ мощность, передаваемая от привода (электродвигателя) на вал насоса (компрессора), измеряется обычно в кВт.

Полезная мощность:

Мощность насоса больше полезной мощности на величину потерь в насосе. Эти потери оцениваются коэффициентом полезного (КПД).

КПД равен отношению полезной мощности к мощности з=Pp/P.

Значения КПД современный насосов и компрессоров составляют 0,4−0,9.

асинхронный двигатель электропривод управление При движении жидкости в сужающихся и сужающихся каналах (в рабочем колесе насоса, на перегибах трубопроводов, в запорной арматуре) скорость потока увеличивается, а давление падает.

Там, где давление снижается до давления насыщенного пара при данной температуре, происходит быстрое вскипание жидкости с образованием пузырьков. После перехода в зону повышенного давления пузырьки быстро сжимаются Ї происходит гидравлический удар.

Повторяющиеся гидравлические удары разрушают поверхности элементов проточной части. Кроме разрушения материала, кавитация приводит к существенному снижению КПД насоса, и, как следствиеЇ к росту потребляемой мощности, повышенной вибрации и в конечном итоге к срыву характеристик Н, Р, з.

Основным способом предупреждения кавитации, обеспечивающим надежную работу насоса, является поддержание достаточного избыточного давления на входе в насос над давление парообразования (Рв>Рп), т. е. Соблюдение такой высоты всасывания насоса, при которой кавитация не возникает. превышение напора на входе в насос над напором, равным давлению насыщенного пара перекачиваемой жидкости, называется кавитационным запасом Дh.

Бескавитационный режим работы насосов обеспечивается при соблюдении условия Дh>>Дh_ДОП, где допустимый кавитационный запас Дh_ДОП=k· Дh_КР; коэффициент запаса k=1,1−1,5 устанавливается в зависимости от условий работы и типа насоса; Дh_КРЇ кавитационный запас, соответствующий началу снижения параметров. Значения его определяются при кавитационных испытаниях насоса. Допустимый кавитационный запас Дh_ДОП приводится в паспорте (техническом описании) насоса.

Высота всасывания, НвсЇ это расстояние между свободной поверхностью в резервуаре (водоеме), из которого жидкость забирается насосом, и осью рабочего колеса.

Высота всасывания с учетом гидравлических потерь во всасывающем трубопроводе Уh_ВС и скоростного напора в нем, называется вакуумметрической высотой всасывания.

Допустимая вакуумметрическая высота всасывания, при которой обеспечивается работа насоса без изменения основных характеристик определяется исходя из конкретных условий эксплуатации насоса и рассчитывается по формуле:

.

В процессе эксплуатации насосов возможны изменения основных параметров их работы: могут меняться подача, напор и соответственно потребляемая мощность. Поэтому необходимо располагать данными о взаимосвязи основных параметров насоса в достаточно широком диапазоне их изменения.

Зависимости напора, потребляемой мощности, КПД и допустимого кавитационного запаса насоса от подачи называют характеристиками. Они представляются обычно в виде графика H (Q), P (Q), з (Q), Дh_ДОП.

Зависимость напора от подачи H (Q) называется напорной или главной характеристикой. Характеристики насосов необходимы потребителю для подбора оборудования, определения условий монтажа и эксплуатации, согласования параметров насоса с параметрами сети.

Выбор насоса начинается с определения требующихся основных параметров: подачи и напора. Подача насоса должна быть не меньше расхода (производительности) гидросети. Расход жидкости определяется потребителем на стадии проектирования сети или гидравлической системы.

В том случае, если не имеется проекта на систему или сеть, или если в проекте не указан расход жидкости, то подача насоса определяется исходя из характеристик оборудования, установленного в сети, например, по производительности котла или бойлера.

Если насос устанавливается для подачи воды в водопроводную сеть то подачу можно определить, приняв за основу расход воды на одного человека. Этот метод пригоден и для определения производительности насоса в системе бытовой канализации.

Более ответственным этапом в подборе конкретного типа насоса является определение его напора. Этот этап существенно упрощается, если в проекте системы имеются результаты гидравлического расчета, на основании которых получена гидравлическая характеристика сети.

Гидравлической характеристикой сети называется графическая зависимость напора, расходуемого в сети Н_С, от расхода жидкости Q. Для перемещения жидкости насосом в сети необходимо затрачивать энергию на подъем жидкости в сети на высоту Н_Г, на преодолевание разности давлений Р_Н — Р_В в напорной и всасывающей емкостях и суммарных гидравлических потерь Уh_П.

В сетях, где напорная и всасывающая емкости находятся под атмосферным давлением, Р_Н=Р_В=Р_А, и Р_Н — Р_В=0.

Из рисунка очевидно, что гидравлическая характеристика сети представляет собой суммарную гидравлическую характеристику подводящего и напорного трубопроводов Уh_Г — Уh_Г (Q), смещенную вдоль оси напоров на величину Н_СТ, где Н_СТ=Н_Г+ (Р_Н-Р_В) /с· g.

Точка, А пересечения напорной характеристики насоса с гидравлической характеристикой сети называется рабочей точкой системы насос-сеть.

При установившемся режиме работы системы насос-сеть может быть только одна рабочая точка, координаты которой представляют рабочий напор Н и его подачу Q.

На практике рабочая точка определяется наложением гидравлической характеристики сети на изображение напорной характеристики. Далее по рабочей точке определяется потребляемая мощность. Напорные характеристики насосов приводятся в паспортах, справочниках и каталогах насосного оборудования или в технических условиях на насос.

При выборе насоса следует стремиться к тому, чтобы рабочая точка системы насос-сеть соответствовала точке с максимальным КПД насоса.

Подкачивающий центробежный насос KM 80−65−160 с рабочей подачей Q=32−68 м²/час, напором Н=26−34 м, оптимальные значения Q=50 м³/час, H=32 м. Он получает вращающий момент от асинхронного двигателя АИР112М2 мощностью Р=7,5кВт, n=3000об/мин, s=3,5%, =87,5%, cos=0,88, M_MAX/M_НОМ=2,2, М_ПУСК/M_НОМ=2, M_MIN/M_НОМ=1, I_ПУСК/I_HOM=7,5.

Электродвигатель относится к серии асинхронных двигателей АИР. Данная серия самая массовая среди серий асинхронных двигателей, применяемая в разных отраслях промышленности. Диапазон мощностей от 0,06 до 400 КВт, с осями вращения от 50 до 355 мм. Принятый ряд мощностей двигателей соответствует ГОСТ 13 267–73. Габаритные, установочные и присоединительные размеры асинхронных двигателей регламентирует ГОСТ 18 709–73.

Двигатель основного исполнения серии АИР — это трехфазные двигатели с короткозамкнутым ротором, с частотой питания 50 Гц, со степенью защиты IP44. Серия включает основное исполнение АД, ряд модификаций и специализированного исполнения. Двигатели основного исполнения соответствует общим требованиям и предназначены для нормальных условий работы.

Конструктивное исполнение всех двигателей со степенью защиты IP44 — станина с продольными радиальными ребрами и наружный обдув, установленным на валу реверсивным центробежным вентилятором, защищенным кожухом, предназначенным одновременно и для направления воздушного потока. Станина изготавливается из сплава алюминия и чугуна. Сердечники статора и ротора выполняются наборными из листов электротехнической стали марки 2013 толщиной 0,5 мм. Обмотка имеет изоляцию класса В.

Для улучшения качества водоснабжения необходимо ставить насосную станцию, включающую в себя три насоса типа КМ 80−65−160 и преобразователь частоты. Один насос рабочий, один резервный на случай значительного увеличения водопотребления, когда один насос не справляется, один аварийныйЇ на случай выхода из строя рабочих насосов. Туда же входит система автоматики обеспечивающая защиту системы и работу в различных режимах работы.

Характеристики насоса КМ 80−65−160 представлены на графиках H (Q), P (Q), з (Q) рис 1.2.

Зависимость H (Q) описывается формулой H=H₀— (H₀-H_H) (Q/Q_H) ², где Н₀Ї напор насоса без расхода при номинальной скорости вращения электродвигателя, Н_НЇ номинальный напор насоса при номинальном расходе Q_H и номинальной скорости вращения двигателя. Графики P (Q) и з (Q) получены опытным путем, но, учитывая линейный вид графика P (Q), можно в EXCEL задать его как линейную функцию проходящую через определенные точки. Используя формулу

кВт (1.1)

где QЇ расход в м³, HЇ напор развиваемый насосом в соответствии со своей характеристикой в атмосферах, г=удельный вес воды, г=9,81· 10³ Н/м³, зЇ КПД насоса в относительных единицах, можно получить зависимость з (Q).

При частотном регулировании скорости насоса для стабилизации напора потребляемая мощность рассчитывается по формуле:

где з_iФЇ фиктивный КПД, определяемый по графику з (Q) для Q_iФ, рис. 1.5., Q_iфЇ фиктивный расход, который находится на параболе равного КПД с рабочим значением Q_i и рабочим напором H_р:

,

где Н_iФ, Р_iФЇ значения напора и мощности нерегулируемого насоса в при Q=Q_iФ.

1.1. Анализ взаимодействия опрераторЇпромышленная установка Задача обслуживающего персонала насосной станции с регулируемым приводом сводится к периодическому техническому осмотру и проведению текущего ремонта.

1.2. Анализ киненматической схемы, определение параметров и составление расченой механической части электропривода В кинематической схеме центробежного насоса типа КМ не используются муфты, редукторы и другие передаточные механизмы (рис. 1.3).

Кинематическая схема электропривода

Рис. 1.3

Для анализа механической части электропривода реальный механизм заменяют динамически эквивалентной, приведенной расчетной схемой, состоящей из дискретных (сосредоточенных) инерционных элементов, соединенных между собой упругими связями, и обладающей таким же энергетическим запасом, как и реальная система. Здесь под дискретным инерционным элементом понимается тело, обладающее свойствами инерции, податливостью которого можно пренебречь. Под упругой связью понимается упругое звено, массой которого можно пренебречь. В приведенной расчетной схеме все инерционные элементы осуществляют один вид движения — вращательные. При этом они располагаются на какой-нибудь одной упругой связи. Расчетные параметры можно приводить к любому заранее выбранному месту кинематической схемы механизма, к любому упругому ее элементу. Если приведение производится к какому-нибудь валу механизма, то получается расчетная приведенная схема вращательной системы (рис. 1.4), в которой все массы имеют общую геометрическую ось. В такой системе нагрузки характеризуются крутящими моментами М, инерционные моменты — моментами инерции J, упругие элементы — коэффициентами жесткости при кручении (крутильной жесткостью) Скр.

Расчетная приведенная схема вращательной системы

Рис 1.4.

Суммарный момент инерции электропривода определяется как:

.

Момент инерции двигателя дан в каталоге, а насоса трудно вычислить по формулам использующим геометрические параметры, принимаем его как 2J_ДВ.

2. Выбор систем электропривода и автоматизации промышленной установки

2.1 Литературный обзор по теме дипломного проекта

Развитие полупроводниковой преобразовательной техники привело к широкому использованию электроприводов с электродвигателями переменного тока и к созданию новых систем управления этими электродвигателями. По сравнению с системами управления электроприводами постоянного тока систему управления электроприводами переменного тока значительно более разнообразны. В регулируемых электроприводах используются асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым или фазным ротором, синхронные или вентильные электродвигатели. Применяются различные способы регулирования скорости электродвигателя путем изменения: напряжения статора, частоты и напряжения статора, частоты и напряжения ротора, добавочного сопротивления в цепи ротора и др. Используется значительно большее число регулируемых координат, чем в электроприводах постоянного тока. Вместе с тем имеются определенные ограничения в использовании того или иного способа управления и созданной на основе этого способа системе управления электродвигателем. Все эти обстоятельства затрудняют формирование общих подходов к синтезу автоматических систем управления электроприводом (АСУ ЭП) переменного тока в такой степени, как это было сделано в АСУ ЭП постоянного тока.

Управление электродвигателями переменного тока осложнено рядом обстоятельств, наиболее существенными из которых являются следующие:

момент электродвигателя определяется произведением двух результирующих векторов электромагнитных параметров статора и ротора и является функцией четырех переменных;

имеется сильное взаимодействие намагничивающих сил статора и ротора, взаимное состояние которых непрерывно меняется при вращении ротора;

с целью лучшего использования двигателя в различных режимах его работы возникает задача регулирования магнитного потока двигателя.

Электродвигатели переменного тока совместно с управляемыми преобразователями представляют собой сложные многосвязные нелинейные объекты управления. Полное математическое описание таких объектов оказывается довольно громоздким и неприемлемым для инженерных методов синтеза систем управления. Вместе с тем в практике построения систем электроприводов, включая и АСУ ЭП переменного тока, получили распространение простые приемы синтеза систем управления, основанные на принципах подчиненного управления и на использовании унифицированных настроек контуров регулирования, входящих в систему управления. Использование этих приемов позволяет не только просто выполнить синтез систем управления, но и создает обоснованную возможность упрощения математического описания электроприводов переменного тока, в частности возможность пренебрежения взаимосвязью ряда координат и параметров электроприводов.

Основная сложность при создании АСУ ЭП переменного тока заключается в создании независимого управления электромагнитным моментом и потоком двигателя. Если это удается выполнить, то АСУ ЭП переменного тока с обратными связями по скорости или по положению выполняются точно так же, как и АСУ ЭП постоянного тока, включая и способы управления пусковыми и тормозными режимами.

При синтезе взаимосвязанных систем управления используются два основных приема, обеспечивающих автономность (независимость) контуров регулирования:

использование различного рода дополнительных компенсационных связей между локальными контурами регулирования;

разделение локальных контуров регулирования по быстродействию.

Оба этих приема используются при выполнении АСУ ЭП переменного тока, и это дает основание уже на стадии формировании математической модели электропривода делать ряд упрощений.

Частотное регулирование скорости асинхронного электропривода осуществляется изменением частоты и напряжения, питающего двигатель. При рассмотрении систем управления, обеспечивающих стабилизацию потокосцеплений двигателя, структура системы управления выполняется замкнутой по внутреннему напряжению двигателя при задании, пропорциональном выходной частоте, с воздействием на регулятор выходного напряжения преобразователя частоты. Самым простым случаем является изменение амплитуды напряжения пропорционально частоте. Это наиболее распространенный случай частотного управления, который характеризуется следующими особенностями:

преобразователь частоты является источником напряжения;

амплитуда напряжения регулируется пропорционально частоте.

При частотном управлении скольжение двигателя и потребляемый ток устанавливают в соответствии с моментом, развиваемым двигателем. Момент двигателя не формируется специальным регулятором.

Данный тип привода имеет следующие недостатки:

низкое качество регулирования скорости как при управляющем воздействии (изменение частоты), так и при возмущающем воздействии (изменение нагрузочного момента);

отсутствие режима работы на «упор». В рассматриваемых приводах при чрезмерных нагрузочных моментах привод отключается под действием защиты;

в рамках частотного регулирования трудно реализовать варианты специального управления, когда величина потокосцепления меняется в функции момента двигателя. При этом напряжение должно регулироваться в функции частоты и момента.

Можно упростить решение последней задачи, если осуществлять управление амплитудой тока статора, а не напряжения. Амплитуда тока статора определяется моментом (скольжением) двигателя и не зависит от частоты. Чтобы непосредственно воспроизводить заданную амплитуду тока, преобразователь частоты должен обладать свойствами источника переменного тока. Таким образом, приходим к варианту частотно-токового управления, который в наиболее типичной форме характеризуется следующими особенностями:

преобразователь частоты является источником переменного тока;

амплитуда переменного тока регулируется в функции частоты скольжения (момента). Зависимость амплитуды переменного тока от частоты скольжения определяется принятым законом управления.

Для частотно токового управления необходим датчик частоты скольжения. В наиболее распространенных исполнениях систем частотно-токового управления датчик скольжения отсутствует, в системе управления преобразователя формируется сигнал скольжения и соответствующий сигнал амплитуды тока в функции задания момента двигателя. Частота получается суммированием двух сигналов, текущего значения скорости и задания скольжения. Скольжение определяется заданием момента двигателя, которым является выходной сигнал регулятора скорости. Такие системы электропривода обладают качественными регулировочными характеристиками, обеспечивают ограничение момента на заданном уровне, независимо от скорости двигателя.

Рассмотрим применение частотного и частотно-токового управления. Частотное управление единственно возможное для многодвигательного привода, в котором может меняться число двигателей, а моменты сопротивления отдельных двигателей различаются. Частотно-токовое управление может использоваться только для однодвигательного привода. Для однодвигательного привода на практике также используется частотное управление, причем для устранения отмеченных недостатков частотного управления вводят в систему управления корректирующие сигналы по току. При этом осуществляется отход от сформулированных особенностей частотного управления.

Следует, однако, отметить определенную условность рассматриваемого деления вариантов исполнения систем управления, потому, что ток всегда определяется напряжением, и тот же закон управления может быть осуществлен с помощью источника напряжения. Система управления по своему составу и функциональным связям определяется, прежде всего, принятым основным законом управления. Лишь в исполнительной части в системе управления учитываются характерные свойства преобразователя частоты: является ли он источником тока или напряжения, а также другие более конкретные особенности.

Использование регулируемого электропривода в турбомеханизмах позволяет выиграть следующих моментах:

Высокий коэффициент мощности (cosц) помогает снизить затраты на потребляемую электроэнергию.

За счет ликвидации токовых пиков при запуске отпадает необходимость в электрических кабелях большого сечения, в то время как двигатели с прямым подключением к сети питания поглощают ток, в 6−7 раз превышающий номинальное значение. Таким образом, можно избежать опасности поражения большими токами, а так же снизить расходы при установке и прокладке.

Отсутствие техобслуживания: инвертор не требует техобслуживания, так как состоит из статических элементов. При инвертора все проблемы, связанные с передаточным механизмом, серво-регулирующими клапанами, гидравлическими муфтами, сборниками и прочие, устраняются.

Энергосбережение: установки, содержащие насосы отличаются большими энергетическими потерями, которые могут существенно снизить общие показатели системы.

В самом деле, регулирование традиционно поручается дроссельным клапанам, расположенным ниже по течению, чем сами насосы, функцией которых является уменьшение падения давления в контуре так, чтобы изменять расход жидкости путем изменения характеристики кривой установки, как показано на рисунке, от точки, А до точки В.

Знание проблем, связанных с энергосбережением, сделало эти методы управления устаревшими, способствуя введению недиссипативных систем регулирования, которые полностью устраняют падение давления; таким образом достигается максимальный КПД установки.

В самом деле, значительное энергосбережение можно получить если проанализировать выражение для мощность на валу насоса (1.1):

При установке регулирующего клапана, который по природе своей является рассеивающим элементом, регулирование можно выполнить, воздействуя на скорость насоса и находя характеристическую кривую H-Q, соответствующую конкретному числу оборотов; поэтому поскольку число оборотов меняется, кривая переносится параллельно самой себе.

В настоящее время регулирование обычно производится с помощью датчика напора насоса (Н), который имеет приемлемую начальную стоимость и обеспечивает существенное энергосбережение, но не осуществляет полного управления всей системой.

На рисунке показано, как любое изменение напора Н влияет также на кривую установки (от точки, А до точки В); а это происходит, главным образом, из-за падения давления в контуре.

На рисунке возможность управлять и напором насоса Н, и подачей насоса Q позволяет перемещать кривую установки, как и ранее, параллельно номинальной кривой, в то же время поддерживая оригинальную кривую установки (от точки, А до точки В). Получается значительное снижение потребляемой мощности, и работа проходит с оптимальной рабочей мощностью и максимальным КПД.

Это также можно увидеть, если проверить каждую отдельную область, где значения мощности указаны в процентах.

Рис. 2.3 график зависимости сбережения мощности от расхода Q.

График, приведенный на рисунке 2.3., показывает наглядно, что сбереженная мощность, полученная за счет использования автоматизированного электропривода зависит, главным образом, от величины средней подачи, которую можно получить от насоса.

Кривая Р1 показывает мощность, необходимую для системы, когда используются дроссельные клапана или задвижки. Кривая Р2 показывает мощность, необходимую для системы, когда используется преобразователь частоты. Кривая Р3 показывает сбереженную мощность при различных уровнях подачи и максимальном КПД установки.

2.2 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу и системе автоматизации

Основным требованием к автоматизированному электроприводу является стабилизация напора, а для системы автоматизации — в случае отказа преобразователя перейти в режим нерегулируемого насоса или включение резервного насоса при увеличении потребления воды выше возможностей одно насоса или при выведении его из строя.

Так же электроприводу насоса предъявляется следующие требования:

Высокоэффективного перекачивания, при этом устраняется необходимость в регулирующих клапанах, которые неэффективно использовались для снижения расхода воды, и нет нужды недогружать насосы, что происходит при их работе с постоянной скоростью.

Плавного пуска, помогающего избежать пиков давления и вытекающей отсюда нагрузки на выходные трубы. Это снижает риск повреждений и утечки, а также внезапных колебаний давления, которые вызывают вибрацию труб, сопровождаемую звуками, напоминающими стук молотка, называемые обычно «трамбовкой». Интенсивная трамбовка может даже вызвать разрыв труб, в то время как внезапное понижения давления может, наоборот, вызвать вдавливание. Кавитация может также вызвать коррозию трубопровода. Постепенная, а не внезапная остановка насосов к тому же предотвращает одинаково вредные для труб пики давления. Более того, она снижает износ подшипников и редукторов насоса. С помощью настройки длительности разгона и торможения можно оптимизировать процесс запуска и останова.

2.3 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода

Автоматизированный электропривод насоса со стабилизацией напора должен иметь регулятор давления, на вход которого подается разность сигнала задания и обратной связи по давлению. Стабилизация напора реализуется изменением скорости вращения двигателя с помощью регулятора частоты, на вход которого поступает разность сигналов с выхода регулятора давления.

Функциональная схема электропривода

Рис. 2.4

Выходной сигнал регулятора частоты является управляющим преобразователя частоты.

Полученная схема представлена на рис. 2.4., где UздЇ напряжение сигнала задания напора, UодЇ напряжение сигнала обратной связи по напору, РДЇ регулятор давления, ДТЇ датчик тока входящий в состав преобразователя, ДДЇ датчик давления, ВЇ выпрямитель, ФЇ фильтр, АИНЇ автономный инвертор напряжения, МЇ двигатель, ЗГЧЇ задатчик генератора частоты.

Преобразователь сам рассчитывает текущее значение скорости вращения и устанавливает необходимую.

2.4 Определение возможных вариантов и выбор рациональной системы электропривода

Выбор системы управления осуществляется на основе анализа сравнительных технических данных, а именно: диапазона регулирования, способа управления, ресурса (уровня износостойкости), диапазона возможных мощностей электроприводов, показатели энергетики и динамики, а также дополнительных данных, определяющих условия эксплуатации электроприводов. Экономическая оценка систем управления должна базироваться на принципе минимальных расходов, связанных с первоначальными затратами, эксплуатационными затратами на ремонт, а также затратами на ремонт, а также затратами энергии. Выбирается система, обладающая наилучшими экономическими показателями. Если экономические показатели сравниваемых систем близки, то производится дополнительная оценка по массогабаритным показателям и условиям размещения электрооборудования. Выбранная система электропривода должен оптимально подходить для условий работы на токарном станке, необходимо рационально использовать ее ресурсы. В настоящее время наибольшее распространение получили системы электроприводов переменного тока, т.к. они дешевле и надежнее электроприводов постоянного тока.

Так как условия технологического процесса не требуют повышения скорости электропривода выше номинальной, можно отказаться от векторного управления, удовлетворившись скалярным с широтно-импульсной модуляцией.

3. Выбор электродвигателя

Консольные насосы типа КМ комплектуются двигателями наиболее подходящими по мощности, скорости, габаритным размерам. Насос КМ 80−65−160 поставляется с двигателем АИР112М2.

3.1 Построение нагрузочной диаграммы электропривода

Изменение момента на валу двигателя насоса зависит состояния водопроводной сети. При пуске двигателя до момента, когда нагнетаемое давление сравняется с номинальным и откроется клапан, вода перемешивается насосом в ограниченном пространстве при этом практически отсутствуют потери на гидравлическое трение. На этом участке нагрузка на валу изменяется по формуле:

где М₀Ї момент развиваемый двигателем при нулевом расходе воды (Q=0). Эта часть нагрузочной характеристики на рис. 3.1 изображена линией I.

При открытии клапана начинается ток воды и появляется трение воды о стенки трубопровода, нагрузка изменяется по закону:

На графике линия II.

4. проектирование силовой схемы автоматизированного электропривода и выбор комплектного преобразователя электрической энергии

4.1 Определение возможных вариантов и обоснование выбора типа комплектного преобразователя

Преимущества использования частотных преобразователей.

Плавная регулировка скорости вращения электродвигателя позволяет в большинстве случаев отказаться от использования редукторов, дросселей и другой регулирующей аппаратуры. Это значительно упрощает механическую систему, повышает ее надежность и снижает эксплуатационные расходы.

При использовании частотного преобразователя пуск двигателя происходит плавно, без пусковых токов и ударов, что уменьшает нагрузку на двигатель и механику, увеличивает срок их жизни. Применение частотных преобразователей с обратной связью обеспечивает точное поддержание скорости вращения при переменной нагрузке, что во многих задачах позволяет значительно улучшить качество технологического процесса.

Для питающей сети преобразователь является чисто активной нагрузкой и потребляет ровно столько энергии, сколько требуется для выполнения механической работы (с учетом КПД преобразователя и двигателя).

Частотный преобразователь в комплекте с асинхронным электродвигателем может применяться для замены приводов постоянного тока. В этом случае значительно снижаются эксплуатационные затраты, повышается перегрузочная способность, а соответственно и надежность системы.

Применение регулируемого частотного электропривода позволяет сберегать энергию путем устранения непроизводительных затрат энергии в дроссельных заслонках, механических муфтах и других регулирующих устройствах. При этом экономия прямо пропорциональна непроизводительным затратам и может достигать 80%.

Основные возможности.

Частотный преобразователь позволяет регулировать выходную частоту в пределах от 0 до 400 Гц.

Разгон и торможение двигателя осуществляется плавно (по линейному закону), время разгона и торможения можно настраивать в пределах от 0.1 сек до 30 мин. Возможен плавный реверс двигателя.

При разгоне происходит автоматическое увеличение момента для компенсации инерционной нагрузки. Момент при пуске достигает 150% от номинального.

Частотные преобразователи обеспечивают полную электронную защиту преобразователя и двигателя от перегрузок по току, перегрева, утечки на землю и обрыва линий передачи.

Преобразователь позволяет отслеживать и отображать на цифровом пульте основные параметры системы — заданную скорость, выходную частоту, ток и напряжение двигателя, выходную мощность и момент, состояние дискретных входов, общее время работы преобразователя и т. д.

В зависимости от характера нагрузки можно выбрать подходящую вольт-частотную характеристику или создать свою собственную. Преобразователь позволяет экономить на непроизводительных затратах энергии, кроме того он имеет функцию энергосбережения. Эта функция позволяет при выполнении той же работы экономить еще от 5 до 30% электроэнергии путем поддержания электродвигателя в режиме оптимального КПД.

В режиме энергосбережения преобразователь автоматически отслеживает потребление тока, рассчитывает нагрузку и снижает выходное напряжение. Таким образом снижаются потери в обмотках двигателя и увеличивается его КПД. Режим энергосбережения хорошо подходит для следующих задач:

управление скоростью вращения вентиляторов и насосов;

управление оборудованием с переменной нагрузкой;

управление машинами, которые большую часть времени работают с малой нагрузкой.

При выборе комплектного преобразователя необходимо учитывать достаточность частотного управления, что дешевле, чем ПЧ с векторным управлением.

Электроприводы ПЧ2000 производства ООО «ИНОСАТ» и ACS (100…600) производства ABB Industry Oy на базе частотных преобразователей предназначены для питания и частотного регулирования скорости и момента асинхронных электродвигателей, устанавливаемых на насосах, вентиляторах, компрессорах, конвейерах, станках, центрифугах и т. д.

Основные технические данные:

4.2 Расчет параметров и выбор элементов силовой цепи

Для силовой цепи необходимо вычислить ёмкость С-фильтра (рис. 4.1.).

Ток протекающий по силовой цепи описывается уравнением:

Отклонение напряжения в цепи постоянного тока от заданного не должно превышать 5%:

B.

Рис. 4.1 силовая цепь.

Ток вычисляется по формуле:

(4.1),

где U1H=220B; I1H=17,27A; cosц=0,88

Подставляя значения в формулу (4.1), получим

Ёмкость вычисляем по формуле:

(4.2)

с.

Подставляя значения в формул (4.2), получим:

мкФ

5. Проектирование системы автоматического управления

5.1 Разработка математической модели автоматизированного электропривода

В основу математической модели положена структурная схема автоматического регулирования скорости представленная в «Теории электропривода» В. И. Ключева в параграфе 7.5.

Структурная схема автоматического регулирования скорости

Рис. 5.1

Тп, э=Тп/Ку. ж., ТпЇ машинная постоянная, учитывающая дискретность, запаздывание и наличие фильтров в системе фазового импульсного управления, Тп<0,01 с, Ку. ж. Ї коэффициент увеличения модуля жесткости в замкнутой системе в_З.С. по сравнению с в_Е, в_З.С. =в_Е (1+к_{О. С}) =в_Ек_У.Ж., в_ЕЇжесткость механической характеристики, в_Е=2М_К/щ_0НОМs_K, ТэЇ электромагнитная постоянная двигателя, Тэ=1/щ_{0ЭЛ, НОМ}s_K, ТмЇ механическая постоянная электропривода, Тм=Jщ₀/М_К, КпЇ коэфициент усиления преобразователя, Кп=Еп/U, .

5.2 Расчет параметров объекта управления

Исходя из выражений и данных двигателя, получаем:

М_ном. = Р_ном. / _{0 ном.,}

где _{0 ном. -} скорость двигателя, определяемая как:

_{0 ном.} = n / 30,_{0 ном.} = 3,143 000/30 =314,16с^-1;

M_ном. = 7500/314,16 = 23,87 Нм;

Номинальная скорость двигателя определяется по формуле:

_ном. = n_ном. (1-S_ном.) / 30,_ном. = 3,143 000 (1−0,035) / 30 = 303с^-1;

тогда _max =_ном. =303 с^-1 — максимальная скорость двигателя;

_min = _max / D = 303/4 = 75,1 с^-1;

Определим время пуска двигателя:

t_n = J_ном. / М_п-М_с;

где М_п = 2 М_ном. =223,87=47,74 Нм — пусковой момент;

J = 2J_дв =20,0075=0,015 — суммарный момент инерции системы;

t_п = 0,15 306/47,74−23,83=0, 193с;

Для расчета параметров структурной схемы необходимо произвести расчеты параметров Т-образной схемы замещения АД:

R₁ = 0,685Ом;

R₂ = 0,417Ом;

R_m = 14,9Ом;

L₁ = 0,178Гн; L₂ = 0,182Гн; L₁₂ = 0,175Гн;

х₁ = 0,864Ом; х₂ = 2,086Ом; х_m = 55,15Ом

Здесь Ї эквивалентная постоянная времени статора;

Ї эквивалентное сопротивление цепи статора;

Ї эквивалентная индуктивность цепи статора;

L_э = 0,178 — 0,175²/0,182 = 0,0097Гн;

R_э = 0,685 + 0,417 (0,175²/0,182²) = 1,07Ом;

Т_э = 0,0097/1,0705 = 0,009с.

Т_м = 3140,015/23,872,2=0,09с.

5.3 Определение параметров и структуры управляющего устройства

Для управления насоса производители преобразователей, в том числе АВВ, предлагают использовать ПИД-регулирование. Параметры ПИД-регулира зависят от состояния водопроводной системы, которая не вычисляется, поэтому ПИД-регулятор программируется приблизительно и настраиваеттся в процессе наладки. Согласно литературе водопроводную сеть можно представить как апериодическое звено с большой постоянной времени. Одновременно система насос-сеть реализует зависимость Н~ (щ/щ_НОМ) ².

6. анализ динамических и статических характеристик электропривода

6.1 Разработка имитационной модели электропривода

На основании математической модели разрабатываем имитационную модель в пакете MATLAB. К схеме моделирования системы ПЧ-АД, с входным сигналом задания скорости, данной в «Теории электропривода» В. И. Ключева, добавим регулятор давления в виде интегрирующего звена, на вход которого поступает разность сигналов задания и обратной связи по давлению, а на выходе задание скорости:

Реализация обратной связи по давлению (напору)

Рис. 6.1

К выходу системы добавляем модель насоса реализующую преобразование сигнала скорости в сигнал напора, где Т_СЕТИЇпостоянная времени сети, т. е. время за которое сеть изменяет свои параметры, из-за протяженности и наличия воздушных карманов оно достаточно велико, измеряется в десятках секунд, по сравнению с ним время переходных процессов в преобразователе частоты и электродвигателе являются малыми величинами, которые не влияют на качество регулирования.

Так как необходимо учесть изменение статического напора сети, а следовательно и момента в зависимости от скорости, вводим обратную связь по моменту реализующую зависимость, где кЇ коэффициент аппроксимации,. С достаточной точностью можно принять к=2,05. Полученная таким путем зависимость М (n) является аппроксимацией графика на рис. 3.1 Для данного привода щ_{CT. MAX}=1,2щ_HOM=376,8 рад/с, а условием эксплуатации насоса является щ_{CT. MIN}=0,9щ_НОМ=282,6 рад/с.

6.2 Расчет и определение показателей качества переходных процессов

Анализ графиков переходных процессов дает возможность оценить работу автоматизированного электропривода и устранить возможные недостатки разработки и настройки имитационной модели. Основными показателями переходных процессов являются время стабилизации параметров системы, перерегулирование, колебательность процесса. Результирующим графиком модели, по которому оценивается ее работа будет график напора рис 6.3, он характеризуется большим временем переходного процесса 40 секунд, обусловленного большим времен стабилизации сети водоснабжения, по этой причине удалось избегнуть перерегулирования и колебательности. График угловой скорости рис. 6.4 отражает работу двигателя при пуске насоса, он так же из-за большого времени переходного процесса, 40 секунд, не имеет перерегулирования и колебательности. На графиках 6.5−6.6 отображено реагирование системы на увеличение и уменьшение расхода, при изменении расхода на 10% система стабилизируется за 30 секунд, без перерегулирования и колебательности. График 6.7 отображает момент двигателя при пуске, пререгулирование составляет 78%, време переходного процесса 40 секунд, колебательность отсутствует.

6.3 Построение статических характеристик электропривода

Изменяя статический напор имитируем изменение расхода воды. Как и всякая астатическая система имеющая обратные связи, модель автоматизированного электропривода насоса, при изменении возмущающих воздействий таких как расход воды, выходит на заданный уровень выходного сигнала. Для асинхронного двигателя АИР112М2 с короткозамкнутым ротором нормального исполнения в каталоге приводятся следующие данные: Р_ном=7,5кВт, s_ном=3,5%, cosц_ном=0,88, з_ном=87,5%, М_мах/М_ном=2,2, М_пуск/М_ном=2, I_пуск/I_ном=7,5.

Полное сопротивление короткого замыкания

где л_IЇ кратность пускового тока.

Приведенное активное сопротивление фазы ротора

где

n₀Ї синхронная частота вращения, об/мин.

;

.

Активное сопротивление фазы статора

R₁=Z_Kcosц_ПУСК-R₂^/,

где cosц_ПУСКЇ коэффициент мощности при пуске

где г₁Ї отношение потерь мощности в обмотке статора при номинальной нагрузке к полным номинальным потерям,

;

;

R₁=1,7· 0,246−0,2985=0,119.

Индуктивное сопротивление короткого замыкания

.

Индуктивные сопротивления рассеяния статора и ротора примерно равны

; .

Ток холостого хода асинхронного короткозамкнутого двигателя

где s_KЇ критическое скольжение, которое можно определить по формуле

где л_m, л_пЇ кратности максимального и пускового моментов.

; ;

Коэффициент мощности при холостом ходе двигателя

где ДР₀Ї потери мощности при холостом ходе, Вт

;

;

Индуктивное сопротивление намагничивающего контура

;

.

Активное сопротивление намагничивающего контура

или

где ДР_СТЇ потери в стали статора,

,

тогда

Для закона управления U_S/f_S=const статическая характеристика определяется выражениями:

где s_aЇ абсолютное скольжение s_a= (щ₀-щ) /щ_0HOM,

Полученные характеристики на рисунке 6.8 отражают зависимость статических характеристик от частоты напряжения на выходе преобразователя (f=50 Гц).

7. Выбор и проектирование системы автоматизации производственной установки

7.1 Формализация условий работы установки

Насосная станция должна качать воду в сеть завода, при выходе из строя преобразователя частоты с переходом на неуправляемый режим работы насоса, при аварийном останове одного насоса обеспечить регулируемый пуск и работу другого, при большом расходе воды, когда работа одного насоса не обеспечивает рабочее давление, включать дополнительный. Для реализации поставленных задач применяется макропрограмма ACS 400 для управления насосами и вентиляторами (PFC).

Макропрограмма управления насосами и вентиляторами (PFC) может управлять насосной станцией с одним-четырьмя параллельными насосами. Используется следующий принцип управления насосной станцией с двумя насосами:

К преобразователю ACS 400 подключается двигатель насоса номер 1. Управление производительностью насоса производится путем регулирования скорости вращения двигателя.

Двигатель насоса номер 2 подключается непосредственно к линии. По мере необходимости преобразователь ACS 400 может включать и отключать этот насос.

На ПИД-контроллер преобразователя ACS 400 подается опорное и действительное значение технологической переменной. ПИД-контроллер регулирует скорость (частоту) первого насоса таким образом, чтобы действительное значение технологической переменной соответствовало опорному значению. Когда опорная частота ПИД-контроллера процессора превосходит заданный пользователем предел, макропрограмма PFC автоматически запускает второй насос. Когда частота падает ниже заданного пользователем предела, макропрограмма PFC автоматически останавливает второй насос.