Исследование электротехнических комплексов с использованием динамических моделей центробежных насосов

Возрастающие технологические требования к качеству производственных процессов, связанных с перекачкой невязких жидкостей, указывают на необходимость улучшения режимов работы установок перекачки жидкости с центробежными насосами, в том числе и с помощью математического моделирования.

Установки центробежных насосов (УЦН) как правило, моделируются с помощью обобщенных интегральных характеристик не позволяющих исследовать поведение системы в динамических режимах работы. В то время как, именно рассмотрение динамических моделей УЦН входящих в состав электротехнических комплексов (ЭТК) позволяет реализовать наиболее эффективные режимы работы, как с точки зрения энергосбережения, так и надежности. Возрастающая вычислительная мощность систем управления ЭТК УЦН позволяет с помощью динамических моделей поддерживать требуемые технологические параметры, в том числе и с помощью косвенного (бездатчикового) их определения.

Действующее различие между относительно высоким уровнем математических компьютерно — ориентированных моделей отдельных элементов УЦН, являющейся частью электротехнического комплекса, и недостаточным других, учитывающих особенности энергосберегающих установок перекачки жидкостей, указывает на актуальность данной работы.

Станции перекачки жидкости, в силу технологических процессов обладают одним из самых высоких потенциалов применения энергои ресурсосберегающих технологий, что согласно Указу президента от 4 июня 2008 года № 889, Федеральному Закону № 261, и Энергетической стратегии России на период до 2030 года представляет одно из направлений развития страны и несомненно, выявляет актуальность данной темы.

Весомый вклад по тематике исследования данной работы в области моделирования электротехнических комплексов внесли такие ученые как: И. П. Копылов, Ю. 3. Ковалёв, В. Я. Беспалов, Ф. Н. Сарапулов и др.- в области 5 моделирования центробежных насосов и лопастных машин: А. Н. Шерстюк, И. М. Вершинин, В. С. Костышин и др.- энергосберегающих технологий в электроприводе: Н. Я. Браславский, Б. С. Лезнов, Г. Г. Соколовский, Н. Ф. Ильинский, В. 3. Ковалёв, М. А. Мустафин, Б. В^сЬке и др.

Объект исследования — электротехнические комплексы, имеющие в своём составе преобразователь частоты, асинхронный двигатель, центробежный насос.

Предмет исследования — динамические режимы работы электротехнических комплексов установок центробежных насосов.

Цель работы — разработка математических моделей электротехнических комплексов, учитывающих динамические свойства центробежных насосов, а также выявление на их основе оптимальных законов частотного регулирования.

Задачи работы:

1. Разработать модель центробежного насоса, для расчета динамических характеристик УЦН;

2. Разработать динамическую модель ЭТК УЦН с учетом системных связей его отдельных подсистем;

3. Выявить законы частотного регулирования УЦН, при которых достигается минимум потерь в силовом канале, а также разработать функциональные схемы стабилизации напора при скалярном и векторном частотном управлении, реализующие эти законы.

4. Исследовать на экспериментальном стенде статические и динамические характеристики установок центробежных насосов, а также проверить адекватность разработанных математических моделей.

Научная новизна представленной работы заключаются в следующем:

1. С использованием метода пространственного вектора разработана модель центробежного насоса, позволяющая рассчитывать переходные процессы.

2. Синтезирована динамическая модель ЭТК УЦН с учетом системных связей его отдельных частей.

3. Разработана методика построения регулировочных вольт-частотных характеристик при скалярном частотном управлении асинхронного электродвигателя, в зависимости от режимов работы внешней гидросети (статические и динамические гидравлические сопротивления).

Практическая значимость представленной работы заключаются в следующем:

1. Разработаны схемы стабилизации напора в диктующей точке путем скалярного и векторного регулирования скорости вращения асинхронного двигателя, реализующие режимы работы станций перекачки жидкости по функции минимума потерь в силовом канале.

2. Разработана методика настройки систем поддержания напора при скалярном и векторном управлении асинхронным двигателем, по принципам подчиненного регулирования.

3. Для исследования статических и динамических характеристик ЭТК УЦН построен программно-измерительный комплекс экспериментального стенда.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 4 свидетельства регистрации программ в ОФЭРНиО.

Апробация работы. Основные этапы диссертации докладывались на научных конференциях: Международной научно-технической конференции (НТК) «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2004, 2007, 2009) — XI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2005) — Всероссийской молодежной НТК «Россия молодая: передовые технологии в промышленность» (Омск, 2010, 2011) — XII Международной студенческой школе-семинаре (Москва, 2004).

Содержание диссертационной работы излагается в четырех главах.

В первой главе рассматривается состав и структура УЦН. Установка центробежных насосов, как часть электротехнического комплекса станции перекачки жидкости, состоит из источника электрической энергии, преобразователя электрической энергии, электромеханического преобразователя, механизма передачи и преобразования движения, рабочего механизма и технологического объекта.

Исследованы процессы преобразования энергии в системе «преобразователь частоты — асинхронный двигатель — центробежный насос — гидравлическая магистраль» с регулируемым расходом жидкости. Определён характер взаимосвязей между подсистемами различной физической природы входящими в структуру электротехнического комплекса и процессами распределения энергии внутри каждой подсистемы.

Проведен анализ современных подходов к моделированию отдельных составляющих УЦН, и установлена целесообразность разработки динамических моделей УЦН в целом.

Во второй главе разрабатывается математическая модель УЦН. Для этого рассматриваются математические модели асинхронного двигателя (АД) и центробежного насоса (ЦН) как отдельных элементов УЦН.

При моделировании УЦН в статических режимах работы используется подход, который базируется на совместном рассмотрении механических, гидравлических и электрических подсистем, из которых состоит комплекс в целом.

В качестве модели электрической подсистемы используется двухконтурная схема замещения асинхронного двигателя.

В основе методики построения математической модели центробежного насоса лежит подход, взятый за основу в работе В. С. Костышина, т. е. использование схем замещения, позволяющих записать уравнения для нахождения значений токов и напряжений в ветвях.

Для динамических режимов работы асинхронный двигатель представлен системой магнитосвязанных обмоток, расположенных на статоре и роторе. В качестве модели электрической подсистемы используются уравнения, полученные из рассмотрения обобщенной модели асинхронной машины. Для описания переходных процессов асинхронного двигателя были составлены уравнения электрического равновесия для напряжений контуров и уравнение равновесия моментов, действующих на ротор, а также использован метод пространственного вектора.

В свою очередь ЦН состоит из трех основных частей: подвода, рабочего колеса и отвода. Отвод и подвод выполняют роль аналога статора электрической машины, так как при преобразовании мощности относительно рабочего колеса машины, вращающегося в плоскости со, являются неподвижными. Такие аналогии дают возможность применить для моделирования центробежного насоса и анализа режимов его работы аппарат комплексной переменной, который основывается на представлении гармонической функции характеристик насоса в виде обобщенного комплексного вектора в полярной или декартовой системе координат. Записана совместная математическая модель УЦН.

С целью проверки работоспособности представленных моделей выполнена серия вычислительных экспериментов для УЦН в диапазоне мощностей АД от 1,5 до 90 кВт.

Используя полученные модели, были построены:

— структурная схема косвенного (бездатчикового) определения скорости, а также электромагнитного момента и момента нагрузки по значениям составляющих тока и напряжения;

— схема косвенного определения действительного расхода и напора центробежного насоса.

В третьей главе решается задача построения энергоэффективных законов регулирования УЦН. Для этого исследуются регулировочные свойства электротехнических комплексов станций перекачки жидкости. Для скалярного управления частотным регулирования АД определяются минимумы потерь с учетом всего диапазона режимов работы УЦН. Таким образом, задача сводится к отысканию минимума функции потерь мощности двигателя, т. е ДР (и/Дг, Нсх)—>гшп.

В результате применения методики оптимизации потерь, получена семейство характеристик аппроксимированных до составных кривых, состоящих из квадратичной зависимости с некоторым коэффициентом и линейного участка прямой.

Для систем перекачки жидкости, в которых насос работает на сеть с противодавлением предложено выражение для определения регулировочных вольт-ч характеристик.

Разработана система регулирования напора, где сигнал обратной связи по напору снимается не в диктующей точке, а непосредственно в насосной станции. Система состоит из насосного агрегата, оснащенного регулируемым электроприводом, преобразователей давления и расхода, пропорционально-интегрального регулятора (ПИ) — РН (регулятор напора), пропорциональных регуляторов — РПН (регулятор потерь напора) и РЧН (регулятор частоты и напряжения).

Альтернативой вышеописанной схеме является система стабилизации напора, в которой вместо датчиков давления и расхода, установленных на напорном патрубке центробежного насоса, используются датчик скорости вращения и датчик крутящего момента.

Разработана система стабилизации напора УЦН при векторном управлении и определении момента и потокосцепления по модели двигателя. Питание двигателя (М) осуществляется от преобразователя частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока и инвертором управляемым широтно-импульсным регулятором. Система регулирования реализована во вращающейся системе координат.

Разработана система регулирования напора УЦН при векторном управлении и косвенном определении напора, скорости вращении ротора и потокосцепления. Данная система стабилизирует напор в заданной точке без датчиков напора, расхода, скорости и момента, а использует соответствующие величины, полученные косвенным путём.

В четвертой главе решалась задача проведения экспериментальных исследований.

Для проведения различных экспериментов, в том числе исследования процессов, протекающих в гидравлических машинах электротехнических комплексов был разработан программно-измерительный комплекс лабораторного стенда.

Стенд состоит из двух центробежных насосов марки К-8−18, работающих на общую гидравлическую систему, двух асинхронных двигателей (Ml и М2) марки АД80А2УЗ, преобразователя частоты YASKAWA Varispeed F7, датчика давления (ДД) BD Sensors DMP331, ультразвукового расходомера (ДР) марки US-800, блока сбора данных (БСД), преобразующего аналоговые сигналы с датчиков в цифровые и передающего их на порт USB персонального компьютера (ПК).

С помощью экспериментальных данных полученных на стенде проводилась оценка адекватности разработанных моделей УЦН в статических и динамических режимах работы. Расчет динамических режимов работы УЦН проводился в среде Simulink методом ode23s.

Разработана методика настройки контуров регулирования напора, и скорости, а так же произведен расчет динамических характеристик в системе стабилизации напора при скалярном управлении асинхронным двигателем.

Для получения динамических характеристик в системе стабилизации напора при векторном регулировании асинхронным двигателем разработана методика настройки контуров регулирования.

Полученные кривые переходных процессов показывают полную работоспособность систем стабилизации напора при скалярном и векторном управлении.

4.5. Выводы.

На основе проведенных в этой главе исследований и расчетов можно сделать следующие выводы:

1. Построен программно-измерительный комплекс экспериментального стенда позволяющий исследовать процессы, протекающие в гидравлических машинах в составе электротехнических комплексов, а также исследовать статические и динамические характеристики УЦН.

2. Анализ динамических характеристик полученных на стенде «преобразователь частоты — асинхронный двигатель — центробежный насос» показал погрешность математической модели ЭТК УЦН не более 15%.

3. Разработанная методика настройки контуров регулирования и расчета динамических характеристик систем со скалярным и векторным управлением частотой вращения асинхронного двигателя является полностью состоятельной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненных в работе исследований решена одна из важных задач — созданы эффективные методы исследования динамических процессов в электромеханических системах, направленные на ресурсои энергосбережение и металлоёмкость, а так же повышения эффективности и надежности работы установок перекачки жидкости.

Сложность поставленной задачи состояла в том, что было необходимо рассмотреть переходные процессы различной физической природы и длительности (в двигателе, насосе и преобразователе частоты), различающиеся в десятки раз, описать их математическими моделями одного порядка допущений, и на их базе создать совместную математическую модель «ПЧ-АД-ЦН», адекватно отражающую процессы, происходящие в электромеханической системе в целом, с учетом их взаимной связи и обусловленности.

Решение поставленной задачи потребовало привлечения соответствующих разделов теории электрических машин, автоматизированного частотного электропривода, теоретических основ электротехники — синтез электрических цепей, математики — операционного исчисления, теории численных методов решения нелинейных систем дифференциальных уравнений, гидравлики, теории центробежных лопастных машин, теории автоматического управления.

Практическое значение работы заключается в целенаправленном и теоретически обоснованном подходе к решению поставленной задачи, что позволило разработать надежную и эффективную методику анализа электротехнических систем на основе всестороннего исследования их динамических характеристик, и основные алгоритмы проектирования системы «преобразователь частотыасинхронный двигатель — центробежный насос», которые могут использоваться как самостоятельно, так и в качестве модулей и подсистем электротехнических и электромеханических систем и установок.

Достоверность результатов подтверждается корректным применением основных теоретических положений, используемых автором для доказательств научных.

140 результатов, сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, приведенными в технической литературе и полученными на экспериментальной установке, расхождением расчетных и экспериментальных данных, не превышающим 11%.

Конкретные научные выводы сводятся к следующему:

1. Построенная математическая модель центробежного насоса даёт возможность моделировать как статические, так и динамические режимы. Учет динамических режимов работы существенно расширяет возможности исследования и проектирования центробежных насосов в составе УЦН.

2. Разработана математическая динамическая модель ЭТК в целом, позволяющая исследовать переходные процессы УЦН, такие как пуск/останов двигателя, сброс/наброс гидравлической нагрузки. Определены коэффициенты разработанной математической модели комплекса, соответствующие реальной насосной установке.

3. По разработанным алгоритмам при скалярном управлении реализованы оптимальные по энергопотреблению режимы работы УЦН, что позволило уменьшить удельное энергопотребление УЦН от 0,7 до 27% в зависимости от суточного графика водопотребления. Для станций перекачки жидкости разработаны схемы стабилизации напора, в том числе с использованием косвенных способов определения координат (напора и расхода), с помощью скалярного и векторного регулирования скорости вращения асинхронного двигателя.

4. Построен программно-измерительный комплекс экспериментального стенда позволяющий исследовать статические и динамические характеристики ЭТК УЦН. Разработана методика настройки контуров регулирования и расчета динамических характеристик систем стабилизации напора со скалярным и векторным управлением частотой вращения асинхронного двигателя.