Рассчитаем мощность на валу двигателя по формуле из [ 15 ]

.(4.1.)

Здесь

g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения;

= 1000 кг/м³ - плотность воды;

Q_н.N = 0,087 - номинальная производительность насоса, м³/с;

H_н.N - номинальный напор насоса, м;

ДH = 6,5 - кавитационный запас, м;

_н.N=0,83 - номинальный КПД насоса.

Следовательно двигатели, установленные на насосной станции должны иметь номинальную мощность больше 79,69 кВт. По характеристикам подберем асинхронный двигатель из рекомендуемых производителем насоса [10 ]. По рекомендации изготовителя нассоса и расчитаной мощности выбираем асинхронный двигатель мощностью 110 кВт серии 5АМ [11] 5AM280S4, номинальные данные приведены в табл. 4.2.

Внешний вид двигателя 5АМ280S4 У3 показан на рис. 4.1

Рис. 4.1 - Асинхронный двигатель 5АМ280S4 У3.

Таблица 4.2. - Номинальные данные асинхронного двигателя 5АМ280S4 У3

Тип двигателя	Номинальная мощность, кВт	Номинальная частота вращения, об/мин	Коэффициент полезного действия, %	Коэффициент мощности	Номинальный ток при 380 В, А	Номинальный момент, Нм	Индекс механической характеристики	Отношение пускового момента к номинальному моменту	Отношение пускового тока к номинальному току	Отношение максимального момента к номинальному моменту	Динамический момент инерции ротора, кгм2	Масса,кг
5AM280S4	110	1455	95,1	0,87	202	707	II	2,1	6,4	2,4	2,19	742

В подобных системах использование насосной установки только для повышения напора недостаточно. Установка должна обеспечивать регулирование давления в водонапорной сети, с целью понижения энергетических затрат, расхода воды, а также минимизировать количество и габаритов, используемой аппаратуры водоснабжения.

4.2 Выбор преобразовательного устройства

Функцию преобразования параметров электрической энергии питающей сети к таким значениям, которые необходимы для нормальной работы приводного двигателя, а также функцию преобразования величины электрической энергии, подводимой к двигателю для регулирования его скорости и выполняет преобразовательное устройство. Как было рассмотрено выше (раздел 3), в качестве преобразовательного устройство принят преобразователь частоты, на базе автономного инвертора напряжения на IGBT-транзисторах со скалярной ШИМ-модуляцией.

При выборе преобразователя частоты необходимо руководствоваться следующими основными требованиями:

- высокая надежность при любых режимах работы;

простота системы управления без ухудшения основных параметров выходного тока, напряжения и функциональных возможностей ПЧ;

минимально возможная стоимость преобразователя в диапазоне мощностей до 110 кВА.

В качестве преобразователя электроэнергии выбираем транзисторный преобразователь частоты 3G3HV-B11K японской фирмы OMRON [12].

Мощный инвертор широкого назначения 3G3HV является легко обслуживаемым прибором, имеющим расширенные функциональные возможности, такие как Пропорционально-Интегрально-Дифференциальное (ПИД) регулирование и работа в режиме энергосбережения.

По своей силовой схеме это двухзвенный преобразователь типа неуправляемый выпрямитель - автономный инвертор напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Силовая часть АИН построена на транзисторных модулях, в своей основе содержащих транзисторы типа IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором). Преобразователь имеет микропроцессорную систему управления, и предназначен для управления асинхронным двигателем мощностью до 130 кВт. Линейное напряжение питания привода с таким преобразователем 380 В. Система управления преобразователем содержит встроенный пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор, параметры которого вводятся с цифрового пульта управления. Введя необходимые параметры можно настроить этот регулятор для регулирования давления в водопроводной магистрали. Задание давления, и величину обратной связи можно осуществлять в аналоговом виде, используя многофункциональные аналоговые входы. Также преобразователь позволяет обеспечить плавный разгон и торможение двигателя по заданным временам пуска и торможения. Встроенные модули защит содержат максимально-токовую защиту двигателей, защиту от перегрузки схемы по напряжению, защиту от перегрева транзисторов, защиту от перегрузки двигателя и другие виды защит.

Таблица 4.3. - Номинальные данные на преобразователь.

Напряжение, В	220/380
Частота, Гц	50/60
Номинальная мощность, кВт	130
КПД	90 %
Сопротивление заземления не более, Ом	10
Параметры аналоговых входов	Напряжение, В	0..10 пост. тока
	Ток, мА	4..20
Максимальная длина кабеля между преобразователем и двигателем, м	100

В таблице 4.3 приведены основные характеристики преобразователя частоты 3G3HV-B11K.

Преобразователь обеспечивает следующие режимы работы и управления приводных машин и механизмов:

плавный пуск;

длительную работу в заданном диапазоне частот вращения и нагрузок;

реверсирование движения;

торможение и останов;

защиту электрического и механического оборудования в аварийных и нештатных режимах.

Эффективность применения данного электропривода обусловлена:

высоким качеством статических и динамических характеристик;

высокими энергетическими показателями;

гибкой настройкой рабочих параметров и режимов;

развитым интерфейсом и адаптивностью к различным внешним системам управления и автоматизации, в том числе высокого уровня;

высокой монтажно-наладочной готовностью;

простотой и удобством управления и обслуживания в эксплуатации.

4.3 Выбор датчика давления

Датчики давления разрабатываются рядом известных фирм. В дипломном проекте выбран датчик давления фирмы «Metran»[13]:

Рис. 4.2 - Внешний вид датчиков давления Metran-100

Датчики давления Метран-100 предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления и обеспечивают непрерывное преобразования давления в унифицированный аналоговый сигнал.

Выбор датчика осуществим исходя из рабочего давления насоса Н_ном=65м = 6,5 атм., тогда максимально высокое рабочее давление равно

Р_макс= к Н_ном= 1,26,5= 7.8 атм.(4.3)

Выбираем датчик с ближайшим большим рабочим давлением Метран-100-ДИ

Датчики давления серии Метран-100 предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование в унифицированный токовый и/или цифровой на базе HART-протокола выходной сигнал дистанционной передачи следующих измеряемых величин:

избыточного давления - Метран-100-ДИ;

Измерение среды: жидкости, пар, газ, в том числе, газообразный кислород и кислородосодержащие газовые смеси.

Диапазоны измеряемых давлений:

минимальный 0-0,04 кПа;

максимальный 0-100 МПа;

Основная погрешность: ±0,1%, ±0,15%, ±0,25%, ±0,5%;

Степень защиты от пыли и воды IР65.

Выходные сигналы:

аналоговый сигнал постоянного тока 4-20 мА, 0-5мА, 0-20мА. Для датчиков исполнения Ех - только 4-20 мА;

аналоговый сигнал постоянного тока 4-20 мА, с наложенным цифровым сигналом в стандарте HART;

Возможности датчика:

контроль текущего значения измеряемого давления;

контроль и настройка параметров датчика;

установка "нуля";

выбор системы и настройка единиц измерения;

настройка времени усреднения выходного сигнала (демпфирование);

перенастройка диапазонов измерения, в том числе на нестандартный (25:1, 16:1, 10:1);

настройка на "смещенный" диапазон измерения;

выбор зависимости выходного сигнала от входной величины: (линейно-возрастающая, линейно-убывающая, пропорциональная корню квадратному перепада давления);

калибровка датчика;

непрерывная самодиагностика;

тестирование и управление параметрами датчика на расстояниии;

защита настроек от несанкционированного доступа;

Межповерочный интервал - 3 года;

Гарантийный срок эксплуатации - 3 года.

Общий вид датчика давления Метран-100-Ди представлен на рис. 4.3.

Рис. 4.3 - Общий вид датчика давления Метран-100-Ди.

4.4 Расчет и выбор кабеля питания

Расчет необходимого сечения кабеля питания всей установки проведем по допустимому току с дальнейшей проверкой на падения напряжения.

Сечение проводов и кабелей напряжением до 1000 В по условию нагрева выбирается в зависимости от длительно допустимой токовой нагрузки. Выбор сечения производится по условию нагрева длительным расчетным током

где I_Р - расчетный ток нагрузки, который равен переменному току, потребляемому установкой:

- длительно-допустимый ток на провода, кабели и шинопроводы;

k1=1 - поправочный коэффициент на условия прокладки проводов и кабелей;

k2=0.85 - поправочный коэффициент на число работающих кабелей, лежащих рядом в земле в трубах или без труб.

Выбираем сечение жилы 95 мм2 для тока I_Н.ДОП =255 А.

Проверим провод на падение напряжения исходя из того что линия в 3 провода длинной 100м.

,

где - проводимость меди,

- удельное сопротивление меди.

и составляет 3.75 % от напряжения питания, что является допустимым для данной системы. Выбираем кабель четырехжильный гибкий марки FG7R-0.6/1 3х95 мм²+ 1х50 мм² [19].

Структура кабеля:

- проводник: медный многопроволочный, класс гибкости 5;

изоляция жил: этилпропиленовая резина;

наполнитель: неволокнистый негигроскопичный материал неподдерживающий горение, с низким выделением коррозионных газов;

внешняя изоляция: ПВХ пластикат RZ неподдерживающий горение, с низким выделением коррозионных газов.

Технические характеристики:

- номинальное напряжение: 0,6/1 кВ;

рабочая температура: до 90°С;

температура короткого замыкания: 250°С;

-минимальная температура инсталляции: 0°С

Применение:

- неподвижный монтаж внутри и вне помещений (в т.ч. и незащищенный), прокладка (в т.ч. и незащищенная) в земле

Особые характеристики: хорошая сопротивляемость воздействию индустриальных масел

Цвет внешней изоляции: серый.

4.5 Выбор аппаратов защиты

В качестве аппаратов защиты электроустановок применяются плавкие предохранители или автоматические выключатели с встроенными тепловыми (для защиты от перегрузок) и электромагнитными (для защиты от токов короткого замыкания) расцепителями.

Выбор автоматического выключателя производят по номинальному току, а настройку тока установки соответствующего расцепителя производят по допустимым токам перегрузки (1,2Ін) и короткого замыкания (2Ін).

Выбираем автоматический выключатель с электронным расцепителем типа TeamBreak XS400SE-C 250A фирмы TERASAKI [20], со следующими техническими характеристиками:

- номинальное напряжение 380 В;

- номинальный ток 250 А;

Согласно технического задания проведены необходимые расчеты и произведен выбор соответствующего оборудования: центробежный насос, частотный преобразователь, датчик давления. Рассчитано необходимое сечение кабеля для питания установки и выбран аппарат защиты.

5. Синтез системы управления

5.1 Разработка структурной схемы

Проектируемая система представляет собой одноконтурную систему управления, с одним внешним контуром - контуром давления.

Структурная схема проектируемой системы представлена на Рис. 5.1.

Рис 5.1 - Структурная схема электромеханической системы: РД - регулятор давления; К_Д - коэффициент передачи двигателя

(5.1)

К_ДД - коэффициент обратной связи по давлению

(5.2)

5.2 Расчет параметров передаточной функции объекта управления

Анализ объекта регулирования

В общем случае объект управления описывается следующей функциональной схемой (Рис. 5.2).

Рис. 5.2 - Функциональная схема насосного агрегата: АД - асинхронный двигатель; ЦН - центробежный насос; U_s - напряжение статора, В; f_s - частота напряжения статора, Гц; - механическая угловая скорость вращения ротора и рабочего колеса насоса, рад/с; M_с - статический момент нагрузки на валу двигателя, Нм; H_нас - напор на выходе насоса, м;

H_вх - напор на входе насоса, м; Q - производительность насоса, м³/с; S_г - гидравлическое сопротивление магистрали, с²/м⁵.

Как известно, нагрузка центробежных и осевых насосов, вентиляторов и других механизмов вентиляторного типа называется вентиляторной нагрузкой. Статический момент в подобных механизмах зависит от скорости вращения рабочего колеса во второй степени. Для вывода зависимости момента сопротивления на валу двигателя от его скорости вращения необходимо иметь математические выражения характеристики насоса и характеристики трубопровода.

Основными параметрами насоса являются напор и подача.

Подачей Q называется объем жидкости, подаваемый насосом в единицу времени.

Напор Н определяется как разность содержания энергии в 1кг жидкости (удельной энергии) на участке от входа в насос до выхода из него.

Дифференциальное уравнение описывающее насос [14] имеет вид

,

де m - масса води в насосе и трубопроводах; g -ускорение свободного падения; - плотность жидкости. Согласно данному уравнению можна составить следующую схему (рис 5.3)

Рис.5.3 - Структурная схема насосной установки

Приведенная выше схема является черезмерно громоздкой и требует учета многих параметров изучаемых в динамике жидкостей . Для решения задач автоматизации целесообразно линеаризовать эту схему используя подобия (5.3).

(5.3)

Пусть Q₂ = Q_H, H₂ = H_H, ₂ = _H; Q₁ = Q_*, H₁ = H_*, ₁ = _*;

где Q_H, H_H, _H - номинальные значения параметров насосной установки;

Q_*, H_*, _* - текущие значения параметров насосной установки.

Тогда уравнения (5.3) примет вид (5.4):

(5.4)

Выразим значения напора и подачи насоса через скорость на валу двигателя (5.5) и (5.6):

(5.5)

(5.6)

где k₁, k₂ - постоянные величины.

Если не учитывать инерционность преобразователя частоты и электромагнитных цепей двигателя, считая, что они на порядок ниже, чем постоянная времени технологического объекта, и связь объекта и электропривода через Мс, считая, что жесткость механической характеристики двигателя достаточно высока, то структурную схему в случае управления Н возможно линеаризовать в околе номинальной точки и упростить к виду( Рис 5.4)

Возьмем корень с уравнения (5.6);

(5.7)

где - постоянный коэффициент.

Насос и гидравлическая сеть - инерционные звенья, которые могут быть представлены апериодическим звеном первого порядка [14]:

(5.8)

Где - коэффициент преобразования насоса,

- постоянная времени насоса

Так как насос является нелинейной сложной системой, а мы работаем в малых отклонениях, линеаризируем его коэффциент передачи.

Значение с [14]. Поэтому, при синтезе системы столь малой постоянной времени допустимо пренебречь и считать насос безинерционным звеном:

Модель насоса будет иметь вид, показанный на рис. 5.4.

Рис. 5.4 - Модель насоса

Тогда структурная схема САУ насосной установки будет иметь, показанный на рис. 5.5:

Рис. 5.5 - Структурная схема САУ насоса: РД - регулятор давления; К_Д - коэффициент передачи двигателя

(5.9)

К_ДД - коэффициент обратной связи по давлению

(5.10)

Влияние постоянной времени насоса на параметры переходных процессов в системе будет учтено при моделировании системы.

Влияние постоянной времени насоса на параметры переходных процессов в системе будет учтено при моделировании системы.

Динамическая модель асинхронного короткозамкнутого электродвигателя

На основе Т-образной схемы замещения и схемы динамической обобщенной электрической машины производится математическое описание асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и разработка его динамической модели.

Рис. 5.6 - Схема замещения АД

Параметры схемы замещения:

(5.11)

Где X - главное индуктивное сопротивление;

R^'₁, X^'₁ - активное и индуктивное сопротивления обмотки статора, о. е.; R'₂, X'₂ - активное и индуктивное сопротивления обмотки ротора, приведенные к обмотке статора, о. е.;

X₁, X^''₂, R₁, R^''₂ - сопротивление статора и ротора, Ом;

U_1фн, I_1фн - номинальные значения фазного напряжения, В и тока, А.

При математическом описании АД, как объекта управления, принимаются следующие допущения:

- намагничивающие силы обмоток двигателя распределяются строго синусоидально вдоль окружности воздушного зазора;

- потери в “стали” статора и ротора отсутствуют;

- обмотки статора и ротора строго симметричны со сдвигом оси на 120;

- насыщение магнитной цепи отсутствует.

Полная динамическая модель АД с короткозамкнутым ротором в неподвижной системе координат статора (а-b) представляется системой из пяти диффиренциальных уравнений [15]:

(5.12)

где: - угловая скорость;

,- компоненты вектора тока статора;

,- компоненты вектора потокосцепления ротора;

, - компоненты вектора напряжения статора;

- момент нагрузки;

,- активные сопротивления статора и ротора;

,- индуктивности статора и ротора;

- индуктивность намагничивающего контура;

,- индуктивности рассеивания статора и ротора;

- число пар полюсов;

- момент, развиваемый двигателем.

Поскольку при стабилизации напора система работает в малых отклонениях относительно рабочей точки стабилизации, возможно использование линейной модели асинхронного двигателя

Для синтеза регуляторов системы управления будет использоваться, так называемая, линеаризованная модель АД. Структурную схему линеаризованной модели асинхронного двигателя можно представить в виде, модели, приведенной на рис.5.7:

Рис. 5.7 - Линеаризованная модель АД: М - механический момент двигателя, ; - жесткость линейного участка механической характеристики; Тэ - электромагнитная постоянная времени, с; J - сумарный, приведенный к валу двигателя момент инерции, ; ₀ - задающая круговая частота вращения, рад/с; f_з - частота задания, Гц, К_Д - коэффициент передачи двигателя.

Динамическая модель преобразователя частоты

В состав преобразователя частоты со звеном постоянного тока входит управляемый выпрямитель, фильтр и автономный инвертор напряжения.

Транзисторный преобразователь представляет собой нелинейный дискретный динамический объект с ограниченной управляемостью, однако можно говорить, что специфика ПЧ, как нелинейного объекта существенно не сказывается на работе системы. Частота среза контура регулирования в котором он находится, значительно ниже частот, существенных для динамики транзисторного преобразователя, при этом время переходных процессов в системе заметно превышает период дискретизации системы. Зачастую, выпрямитель при разработке систем управления электроприводами представляют в виде апериодического звена с коэффициентом передачи К_в и постоянной времени Т_в, а инвертор и вовсе как безинерционное звено К_и [15].

Для синтеза регуляторов системы управления будет использоваться линеаризованная модель преобразователя частоты (рис. 5.8):

Рис. 5.8. Линеаризованная модель преобразователя частоты: К_ПЧ - коэффициент усиления преобразователя частоты; Т - постоянная времени ПЧ.

Для получения более точного представления о протекании переходных процессов проведем исследование динамики системы ПЧ-АД при использовании эквивалентной двухфазной модели двигателя в векторной форме.

Математическое описание процессов преобразования энергии в асинхронном двигателе осуществляется при питании его от сети. Преобразование энергии в этом двигателе представляет собой сложную задачу в связи с существенной нелинейностью уравнений, обусловленной произведением переменных.

Двигатель является трехфазным, что осложняет математическое описание из-за увеличения числа уравнений, поэтому процессы в многофазных электрических машинах представляются в эквивалентной двухфазной модели этой машины. Условием адекватности является инвариантность мощности машины при преобразовании уравнений. При решении задачи преобразования каждая реальная переменная двигателя - напряжение, ток, потокосцепление - представляется в виде вектора. Направление вектора жестко связано с соответствующей данной обмотке (статора или ротора) осью координат. Со статором жестко связана ортогональная система координат с осями (????), а с ротором - с осями (d, q). Все расчетные переменные представляются в системе координат (U, V), которая вращается относительно неподвижного статора со скоростью ?_с. Преобразование реальных переменных двигателя в осях (????) или (d, q) в расчетные (U, V) и обратно производится с помощью проекций соответствующих векторов переменных на эти оси согласно известным геометрическим закономерностям.

Уравнение Кирхгофа для асинхронного двигателя имеет вид:

(5.13)

(5.14)

где U₁ - напряжение статора;

I₁, I₂ - ток статора и ротора;

R₁, R₂ - активное электрическое сопротивление статора и ротора;

- угловая скорость электрическая;

р_п - число пар полюсов двигателя;

Потокосцепления статора и ротора определяются следующими выражениями:

(5.15)

(5.16)

где L₁, L₂, L₁₂ - индуктивность обмотки статора, ротора и их взаимоиндуктивность.

Векторы напряжения, токов и потокосцепления представляются суммой проекций на оси (U, V),

Из уравнения (5.16) определяется выражения для тока ротора

(5.17)

После подстановки (5.5) в (5.2) получается

или в операторной форме

Рис. 5.9 - Переменные в системе координат (U, V)

Введем замену:

тогда уравнение окончательно принимает вид:

(5.18)

Из (5.15) с учетом (5.17) находится выражение для потокосцепления статора

(5.19)

где.

После подстановки (5.11) в (5.13) выражение для напряжения принимает вид:

или в операторной форме:

и окончательно:

(5.20)

После аналогичных замен для цепи ротора получается преобразованная система уравнений, которая описывает процессы в асинхронном двигателе:

(5.21)

Первое уравнение системы (5.11) в системе координат (U, V) имеет вид:

(5.22)

Проекции вектора напряжения имеют следующее значение:

(5.23)

Аналогично для второго уравнения системы (5.9)

Проекции вектора имеют следующее значение:

(5.24)

После этого системы уравнений (5.15) и (5.116) принимают вид:

(5.25)

(5.26)

Из этих уравнений определяются выражения для токов, потокосцеплений и производных:

(5.27)

(5.28)

(5.29)

Выражение для момента асинхронного двигателя имеет вид:

где ;

Произведение токов равно:

;

поэтому выражение для момента в координатах (U-V) принимает вид:

После перехода в координаты статора () момент двигателя равняется:

(5.30)

Механическая часть электродвигателя описывается известным уравнением динамики:

(5.31)

гдеJ₁ - момент инерции электродвигателя;

М_с - статический момент.

Уравнения (5.17)-(5.23) представляют собой эквивалентную двухфазную математическую модель асинхронного двигателя в координатах статора (). На рис. 5.10 представлена структурная схема двигателя, построенная на их основании.

Трехфазный асинхронный двигатель питается от сети симметричным синусоидальным напряжением

Где U_m - амплитуда питающего напряжения;

f₁ - частота питающего напряжения.

Рис. 5.10 - Структурная схема асинхронного двигателя

Переход к системе координат () осуществляется на основании известных соотношений (Рис. 5.11)

Рис. 5.11 - Переход от трехфазной системы координат к двухфазной

Структурная схема данного перехода представлена на рис. 5.12. При этом амплитуда питающего напряжения двигателя задается значением U_m, а частота напряжения - значением f₁.

Рис. 5.12 - Эквивалентное двухфазное питающее напряжение двигателя

Рис. 5.13 - Структурная схема системы ПЧ-АД при использовании эквивалентной двухфазной модели двигателя в векторной форме

При исследовании переходных процессов бил использован пакет моделирования динамических систем Simulink 4.0, среды MATLAB 6.5 R13 и для этого собрана структурная схема системы ПЧ-АД на рис 5.1, 5.13. В данной структурной схеме блок Subsystem представляет собой ПИД-регулятор скорости.

Расчёт параметров схемы замещения электродвигателя:

где - номинальный ток статора.

Взаимная индуктивность статора и ротора:

Гн

Индуктивность статора:

Гн

Индуктивность ротора:

Гн

Коэффициент передачи:

Рис. 5.14 - Структурная схема асинхронного двигателя с рассчитанными параметрами замещения.

Расчет параметров преобразователя частоты

Где К_ПЧ =f_1H/I_З = 50/16 = 3,125 Гц/mА, - коэффициент усиления преобразователя частоты,

f_1H = 50 Гц - номинальная частота напряжения сети,

I_З = 16 mA - ток задания, принимается стандартным (20-4)=16mA

Т = 0,01 с, постоянная времени ПЧ.

Для реальных систем Т = 0,008 0,01 с, для синтеза принимаем Т = 0,01.

Расчет параметров структурной схемы насосной установки.

р = 2 - число пар полюсов обмотки статора двигателя;

рад/с - номинальная скорость холостого хода;

- номинальная скорость двигателя;

- номинальное скольжение двигателя;

- критическое скольжение;

где л=2,4 - отношение максимального момента к номинальному моменту,

- коэффициент передачи двигателя;

- электромагнитная постоянная времени двигателя;

- модуль статической жесткости;

- суммарный момент инерции;

- электромеханическая постоянная времени двигателя, где кг м²

На основе полученных параметров, передаточная функция двигателя будет иметь вид:

Важной частью системы регулирования напора является датчик давления. Датчик выбираем по номинальному напору насоса. Пересчитаем номинальный напор насоса в давление:

Выбираем датчик давления типа Метран 100ДИ на максимальное давление 1 МПа. Минимальное давление датчика 0 МПа. С целью повышения помехозащищенности, датчик давления имеет токовый интерфейс. Информация о давлении передается в виде тока. Ток при максимальном давлении - 20 мА, при минимальном - 4 мА. Рассчитаем коэффициент передачи датчика давления. Максимальный напор, измеряемый датчиком:

Имеем коэффициент передачи:

Так как задание напора на регулятор будет приходить также в виде тока, максимальная величина которого будет также 20 мА, а минимальная 4 мА, то в канале задания также появится масштабирующий коэффициент, который будет равен обратному значению коэффициента передачи датчика напора:

5.3 Синтез контура регулирования давления

Синтез контура регулирования давления проведем методом последовательной коррекции. Настройку контура регулирования выполним на модульный оптимум.

Передаточная функция объекта регулирования (без регулятора и датчика давления) будет иметь вид:

Для синтеза регулятора давления пользуются заданием желаемой передаточной функции разомкнутой системы , в которой компенсированы все большие постоянные времени объекта, исключая их из разомкнутого контура регулирования. Аналогичным путем возможно исключить с разомкнутого контура регулирования и все коэффициенты усиления, а для устранения статической ошибки ввести в него интегрирующий элемент с малой постоянной.

Таким образом, исходный разомкнутый контур регулирования удается заменить результирующим контуром, который имеет общий коэффициент усиления, равный (ОС предусматривается не единичной), но обладающим астатизмом первого порядка и обеспечивающим высокое быстродействие, благодаря малости постоянных времени, оставшихся нескомпенсированными.

То есть, желаемая передаточная функция разомкнутой системы имеет вид (настройка на модульный оптимум):

Тогда передаточная функция регулятора будет иметь вид:

где - является малой, некомпенсированной постоянной времени.

Очевидно, что данная передаточная функция является пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором (ПИД - регулятором) с соответствующими коэффициентами усиления пропорциональной , интегральной и дифференцмальной частей регулятора.

Составляющие ПИД регулятора давления определяются:

,

,

Подставив числовые значения, получим:

Проектируемая система представляет собой одноконтурную систему управления, с одним внешним контуром - контуром давления.

Регулятор давления реализуем с помощью программного универсального ПИД-регулятора, встроенного в преобразователь частоты. Проверкой результатов синтеза регулятора будет моделирование системы в пакете MATLAB.

6. Исследование динамики САУ насосной установки

Для моделирования системы управления насосной установки воспользуемся приложением SIMULINK пакета прикладного программного обеспечения MATLAB 7.1.

Следует отметить тот факт, что при реальных условиях работы пуск насосной установки, изменение давления в потребительской сети, не происходит скачкообразно, а достаточно плавно и длительно. Целью данного раздела является исследование работы установки в критических режимах работы, проверка правильности синтеза регулятора. Исследование переходных процессов в системе стабилизации давления проводим с использованием упрощенной модели АД и учетом постоянной времени насоса. Для исследования динамики системы в приложении Simulink разработана модель насосной установки, позволяющая проводить моделирование с учетом и без учета ограничений регулятора давления и с возможностью подачи на вход системы задания различного вида. Схема модели САУ насосной установки приведена на Рис. 6.1.

Проанализируем данную систему в следующих режимах без ограничения регулятора давления и с ограничением:

- Пуск скачком на холостом ходу ();

- Наброс нагрузки, равной Н?м

- Плавный пуск от задатчика интенсивности и наброс нагрузки;

В данном дипломном проекте принято, что влияние гидросети на АД учытывается ступенчатым характером наброса . Так как параметры гидросети зависят от конкретной конфигурации и обычно обеспечивают плавное нарастание , то этот случай является наиболее тяжелым

Рис. 6.1 - Схема модели САУ насосной установки

Учет ограничения осуществляется с помощью блока Saturation. То есть для случая с ограничением уровень ограничения выставляется на уровень 20.

Переалючателем Manual Switch-1коммутируется режим: входной сигнал: скачок - задатчик интенсивности (линейное нарастание сигнала до заданного уровня) ; Manual Switch-2 включает режим ограничения; Manual Switch-3 осуществляет наброс нагрузки.

Модель системы составлена из отдельных блоков. Каждый блок реализует определенный элемент структурной схемы. Модель содержит и другие компоненты, предназначенные для обеспечения работоспособности и визуализации результатов моделирования.

6.1 Анализ динамических режимов без учета ограничений

График изменения давления, при реакции на входной скачок без учета ограничений на выходе регулятора давления приведены на рис. 6.2. Графики изменения давления, при реакции на плавное нарастание сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления представлены на рис. 6.3.

Рис. 6.2 - График переходного процесса изменения давления, при реакции на скачок сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления и наброс нагрузки.

Рис. 6.3 - График переходного процесса изменения скорости, при реакции на скачок сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления и наброс нагрузки.

Рис. 6.4 - График переходного процесса изменения момента, при реакции на скачок сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления и наброс нагрузки.

Рис. 6.5 - График изменения тока фазы I1a, при реакции на скачок сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления и наброс нагрузки.

Рис. 6.6 - График изменения тока фазы I1b, при реакции на скачок сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления и наброс нагрузки.

Рис. 6.7 - График изменения напряжения фазы U1a, при реакции на скачок сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления и наброс нагрузки.

Рис. 6.8 - График изменения напряжения фазы U1b, при реакции на скачок сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления и наброс нагрузки.

Основные показатели качества переходных процессов :

При - был произведен пуск двигателя на холостом ходу

При - наброс нагрузки.

Время переходного процесса: с

Перерегулирование:

.

Динамическое падение скорости при набросе нагрузки:

.

Время восстановления давления: с.

Рис. 6.9 - График переходного процесса изменения давления, при реакции на плавное нарастание сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления и наброс нагрузки.

Проведенное моделирование системы управления насосной установки в приложении SIMULINK пакета прикладного программного обеспечения MATLAB 7.1, показало правильность выбора структурной схемы насосной установки, а основные показатели качества переходных процессов говорят о правильности синтеза регулятора напора.

7. Анализ динамических режимов с учетом ограничений

В реальных электроприводах напряжение на выходе регулятора, реализуемого как программно, так и аппаратно следует ограничивать.

График изменения давления, при реакции на входной скачок с учетом ограничения на выходе регулятора давления, представлен на рис 7.1. График изменения давления, при реакции на плавное нарастание сигнала задания с учетом ограничений на выходе регулятора давления, представлен на рис 7.2.

Основные показатели качества переходных процессов при ограничении:

Перерегулирование:

.

Динамическое падение давления при при набросе нагрузки:

.

Время восстановления напора:

с.

Рис. 7.1 - График переходного процесса изменения давления, при реакции на скачок сигнала задания с учетом ограничений на выходе регулятора давления и наброс нагрузки.

Рис. 7.2 - Графики переходного процесса изменения давления, при реакции на плавное нарастание сигнала задания с учетом ограничений на выходе регулятора давления и наброса нагрузки.

Из полученных результатов моделирования можно сделать следующие выводы:

1.Режим отработки скачка задания без ограничения регулятора несколько отличается от стандартной настройки контура на модульный оптимум. Это объясняется динамикой насоса, не учтенной при расчетах регуляторов.

2. Наброс нагрузки отрабатывается контуром астатически, что объясняется наличием интегральной составляющей регулятора давления.

3. При введении ограничения на выходной сигнал регулятора, показатели качества переходных процессов ухудшаются. А именно быстродействие системы несколько падает, а перерегулирование возрастает. Использование на входе системы задатчика интенсивности позволяет обеспечить пуск насосной установки за заданное время без гидроудара, перерегулирование при этом уменьшается.

8. Техническая реализация системы управления

Насосная установка, как правило, состоит из различных систем: гидравлической системы, системы электроснабжения, системы автоматики и др.

Гидравлическая система представляет собой совокупность баков, трубопроводов, насосов, контрольно-измерительной и пускорегулирующей аппаратуры и предназначена для выполнения определенных функций.

Система энергоснабжения насосной установки обеспечивает электрическую связь с энергосистемой и обеспечивает непрерывное снабжение всех потребителей насосной установки электроэнергией.

Система автоматики обеспечивает дистанционное управление насосной установкой, системой энергоснабжения и т. д.

Разберем один из возможных вариантов технической реализации системы управления установкой.

Электроснабжение насосной станции НС осуществляется от трансформаторной подстанции КТП. Электроэнергия поступает на распределительное устройство РУ, к которому подключено силовое электрооборудование. Здесь же размещены первичные аппараты для средств учета потребляемой электроэнергии.

Силовое электрооборудование размещено в электрощитовой НС. Оно содержит: силовые шкафы управления СШУ, преобразователь частоты ПЧ и, при необходимости, компенсатор реактивной мощности КРМ. Силовой шкаф управления содержит коммутационный аппарат, с помощью которого осуществляется коммутация питания электропривода М центробежного насоса Н либо к выходу ПЧ, либо к секции РУ.

В машинном зале НС размещено основное и вспомогательное оборудование НС. Основное оборудование включает насосы ЦН1, ЦН2, электроприводы М1, М2. В состав вспомогательного оборудования могут входить: дренажные, пожарные, вакуум-насосы; задвижки (основной функцией которых является вовсе не регулирование давления в трубопроводе, а обеспечение условий нормального пуска насоса). К дополнительному оборудованию также относят обратные клапаны или вентили, предотвращающие обратное перемещение жидкости сквозь насос при его отключении; вентиляторы; обогреватели и другое вспомогательное оборудование. Управление им производится при помощи исполнительных механизмов ИМ1, ИМ2.

Датчики выходного давления в трубопроводе обеспечивает систему управления входной информацией, на основании которой принимается решение об изменении выходного воздействия.

Сигналы управления и измерительные сигналы от оборудования НС собираются в шкафу управления ШУ. Здесь же происходит их объединение в одну общую информационную линию связи, которая подключается к технологическому контроллеру ТК.

Технологический контроллер реализует общий алгоритм управления НС и обмен информацией с автоматизированной системой управления технологическим комплексом АСУ ТК. Система телеметрии обеспечивает передачу на пульт диспетчера параметров состояния станции, сигналов возникновения аварийной ситуации и прием команд управления с пульта диспетчера. В качестве информационного канала могут использоваться различные сети передачи данных -- от телефонной сети до радиоканала и каналов связи местных операторов сети GSM.

Программное обеспечение ТК содержит ряд функциональных блоков, реализованных на программном уровне:

управление основной насосной установкой

управление дополнительной насосной установкой, например пожарными насосами

управление дренажными насосами

измерение и обработка параметров оборудования НС

управление отоплением и вентиляцией помещений НС

осуществление функций охраны от несанкционированного проникновения посторонних лиц на территорию НС

обслуживание локального терминала

передача информации о параметрах и режимах работы оборудования НС на АСУ ТК и обработка сигналов управления, получаемых от нее.

Основным звеном участвующим в преобразовании энергии для привода насоса является преобразователь частоты.

Преобразователь частоты служит для плавного разгона и торможения насосного агрегата, а также для регулирования скорости его вращения во время работы. Рассмотрим подробно его состав

Схема состоит из следующих компонентов.

Элементы L1..L3 и C1..C3 представляют собой сетевой фильтр.

Далее следует неуправляемый выпрямитель на диодах VD1...VD6, шунтированных конденсаторами C1...C3 для ограничения производной напряжения на диодах.

Конденсаторы C7..C8 включены в схему для замыкания переменной составляющей напряжения звена постоянного тока на землю, а также для подавления радиопомех.

Электролитические конденсаторы C9 и C10 необходимы для защиты транзисторов автономного инвертора от перенапряжений.

Светодиод VD7 необходим для индикации наличия заряда на емкостях силовых цепей преобразователя.

Автономный инвертор напряжения на транзисторах VT1..VT12, шунтированных диодами VD8..VD19.

Трансформаторы тока TA1..TA3 используются для заведения обратной связи по току во внутренней системе управления преобразователем.

Ячейка BJ1 выполняет функцию датчика тока звена постоянного тока.

Для того, чтоб преобразователь работал с подключенным к нему двигателем так как это требуется, необходимо сделать соответствующие настройки, а именно задать соответствующим параметрам необходимые значения.

В разрабатываемой системе электропривода будут использоваться следующие возможности преобразователя.

Функция энергосберегающего управления.

Встроенный ПИД регулятор для регулирования давления.

Функции многофункциональных входов и выходов для задания давления и задач автоматики.

Кратко опишем перечисленные пункты.

8.1 Описание режима энергосберегающего управления

В режиме энергосберегающего регулирования преобразователь автоматически понижает (экономит) потребление энергии в случае низкой нагрузки двигателя, обычного, или специально предназначенного для работы с преобразователь. При работе в этом режиме преобразователь оценивает фактор нагрузки двигателя по величине потребляемого им тока и регулирует выходное напряжение, подавая на двигатель при уменьшении нагрузки только необходимую мощность. Чем дальше преобразователь работает в режиме энергосберегающего регулирования, тем более эффективно осуществляется экономия потребляемой мощности. Экономия потребляемой энергии осуществляется менее эффективно в том случае, когда нагрузка превышает 70% номинального значения момента вращения двигателя. В режиме энергосбережения преобразователь не обеспечивает экономию излишка потребляемой мощности специальных двигателей таких, как шпиндельные двигатели и двигатели, предназначенные для работы под водой.

Ниже перечисляются ступени режима энергосберегающего регулирования преобразователя.

Преобразователь начинает нормальный разгон двигателя. При этом, в процессе разгона двигателя, преобразователь не выполняет энергосберегающее регулирование.

Преобразователь начнет выполнение энергосберегающего регулирования после достижения выходной частотой значения, заданного задатчиком частоты.

Преобразователь вычисляет идеально подходящее значение выходного напряжения, исходя из условий работы и коэффициента энергосбережения К2, заданного в параметре n 096.

Выходное напряжение изменяется до идеально подходящего значения.

Преобразователь выполняет функцию автоматической подстройки (режим поиска) для нахождения минимального значения выходной мощности, необходимого двигателю. Функция автоматической настройки (режим поиска) находит минимальное значение выходной мощности, подаваемой на двигатель путем изменения выходного напряжения ступенями, характеристики которых заданы в параметрах n101 и n102.

Преобразователь начинает нормальное торможение двигателя. В процессе торможения двигателя преобразователь не осуществляет энергосберегающее регулирование.

Наиболее эффективное значение напряжения, подаваемого на двигатель, зависит от фактора нагрузки двигателя. В режиме энергосберегающего регулирования преобразователь вычисляет идеально-подходящее значение выходного напряжения и устанавливает его таким образом, что реальная потребляемая двигателем мощность минимизируется (Рис. 8.1.).

Рис. 8.1 - Зависимость потребляемой приводом мощности от напряжения при энергосберегающем управлении: 1 - M/M_N = 1; 2 - M/M_N = 0.5

В документации по преобразователю приводятся значения коэффициента K2 для случая использования преобразователя с асинхронными двигателями стандартного исполнения либо с двигателями предназначенными специально для частотного регулирования. В данном случае K2 = 36,23 (параметр n096).

Параметр n100 устанавливает предел изменения напряжения в режиме поиска оптимальной его величины. Задается в процентах от номинального напряжения двигателя. Диапазон его изменения 0..100%. В данном случае n100 устанавливается в 100%.

Параметр n097 устанавливает нижний предел изменения напряжения в энергосберегающем режиме при максимальной частоте, в процентах от номинального напряжения двигателя. В данном случае n097 задается равным 20%.

Параметр n098 устанавливает нижний предел изменения напряжения в энергосберегающем режиме при минимальной частоте, в процентах от номинального напряжения двигателя. В данном случае n098 равен 12%.

Параметр n099 задает время за которое будет происходить вычисление средней мощности при энергосберегающем управлении. Задается в виде единиц времени. За единицу времени принято 25 мс, предел 200 единиц. В данном случае эта уставка особой роли не играет ввиду того, что времена изменения величины задания на давление много больше величины этой уставки. Поэтому n099 задаем равным 1 (25 мс) по умолчанию.

8.2 Описание встроенного ПИД регулятора

Инвертор имеет встроенную систему ПИД регулирования. Все дело в том, что сам преобразователь не содержит системы регулирования скорости, и поэтому возможность ее регулирования, либо регулирования других величин, зависящих от скорости предусмотрена в виде данного регулятора. Все основные параметры регуляторов задаются в числовом виде, а также задается тип регулирования. Всего предусмотрено два типа ПИД регулирования: регулирование с дифференцированием обратной связи (рис. 8.2.) и основной режим регулирования (рис. 8.3.).

Рис. 8.2 - Режим ПИД регулирования с дифференцированием обратной связи.

Рис. 8.3 - Основной режим ПИД регулирования.

Схема, представленная на рис. 8.4. поясняет принцип влияния уставок, относящихся к ПИД регулятору на его режимы.

Рис. 8.4 - Функциональная схема ПИД регулятора.

Значения уставок, отвечающих за ПИД регулирование будут описаны в следующей главе и будут являться результатом разработки регулятора напора.

8.3 Описание используемых входов и выходов

Преобразователи 3G3HV имеют специализированный аналоговый вход FV для задания скорости (или другой регулируемой величины) в виде постоянного напряжения 0..10 В. Обратная связь заводится по входу FI. При уставке параметра n043 равной 1 величина обратной связи должна задаваться в виде постоянного тока 4..20 мА. Если n043 равен 0 то обратная связь задается в виде постоянного напряжения 0..10 В.

Кроме специализированных входов преобразователь имеет также шесть многофункциональных релейных входов. Их значения программируются параметрами n035..n039. Параметр n035 определяет функцию входа S2, n036 входа S3, …, n039 входа S6. Вход S1 всегда запрограммирован как вход пуска/останова привода.

Кроме многофункциональных релейных входов преобразователь имеет также два многофункциональных релейных выхода (MA нормально разомкнутый, MB нормально замкнутый, MC общий; M1 нормально разомкнутый, M2 общий), которые программируются параметрами: MA-MB-MC - n040, M1-M2 - n041. Эти выходы предполагается использовать в качестве аварийного выхода и выхода, сигнализирующего об останове привода.

Благодаря достижениям современной силовой электроники появилась возможность реализовать полнофункциональный электропривод используя дешевый асинхронный электродвигатель и современный компактный частотный преобразователь. Данная конструкция позволяет использовать функция энергосберегающего управления, встроенный ПИД регулятор для регулирования давления, функции многофункциональных входов и выходов для задания давления и задач автоматики, что позволяет создавать надежные и эффективные насосные установки для нужд народного хозяйства.

9. Технико-экономические расчеты

9.1 Технико-экономическое сравнение вариантов проектных решений

В дипломном проекте разработана система автоматизации насосной установки станции подкачки воды многофункционального комплекса на основе электропривода с частотным преобразователем и асинхронным электродвигателем.

В настоящее время распределение всей произведенной в индустриально развитых странах электроэнергии осуществляется примерно в следующей пропорции:

- 69 % - электропривод

- 6 % - освещение

- 25 % - прочее.

В свою очередь, из доли электроэнергии, направленной на работу электроприводов, на долю насосов и вентиляторов приходится около 60 %. Таким образом, более 40 % (а, по некоторым оценкам, и более 50 %) всей вырабатываемой в мире электроэнергии направляется на нужды электроприводов.

Центробежные вентиляторы, насосы и компрессоры объединяются в один класс нагрузочных механизмов для электропривода, так как их характеристики с точки зрения требований и условий работы электропривода имеют много общего. Большая часть электроприводов указанных механизмов является нерегулируемыми.

Традиционные способы регулирования подачи насосных и вентиляторных установок состоят в дросселировании напорных линий и изменении общего числа работающих агрегатов по одному из технологических параметров - давлению в трубопроводе или в диктующей точке сети, уровня в приёмном или регулирующем резервуаре и др. Эти способы регулирования направлены на решение поставленных технологических задач (поддержание заданного давления) и практически не учитывают энергетических аспектов транспортировки воды.

Вместе с тем, гидравлическое и электротехническое оборудование насосных станций обычно выбирается по максимальным техническим параметрам (подаче, напору и др.) системы водоснабжения и водоотведения. Однако в реальной жизни оказывается, что вновь вводимые в эксплуатацию насосные установки выходят на проектные режимы в течение многих лет, либо не выходят вообще. Поэтому существующие станции, как правило, работают в режимах, существенно отличающихся от расчётных. Кроме того, имеют место суточные, недельные и сезонные колебания расходов и напоров, обусловленные переменным водопотреблением, в результате этого рабочие режимы насосов оказываются далеко от рабочих зон их характеристик (как правило, в меньшую сторону).

Поэтому с появлением надёжного регулируемого электропривода создались предпосылки для разработки принципиально новой технологии транспортировки воды с плавным регулированием рабочих параметров насосной установки без непроизводительных затрат электроэнергии и с широкими возможностями повышения точности и эффективности технологических критериев работы систем подачи. При этом геометрическим местом рабочих точек насосной установки становятся характеристики трубопроводов, а не характеристики насосов, как в случае регулирования подачи насосных агрегатов с постоянной частотой вращения.

С помощью регулирования частоты вращения для изменения расхода энергии по сравнению с дросселированием достигается значительный потенциал сбережения энергии.

Проведённые целым рядом различных организаций исследования по применению регулируемого электропривода турбо-механизмов, а также имеющиеся в нашем распоряжении документы, использованные при написании настоящей работы, позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. Наиболее эффективным способом регулирования асинхронных короткозамкнутых двигателей является частотный способ, позволяющий в наибольшей степени осуществлять экономически целесообразные режимы работы во всём диапазоне регулирования производительности турбо-механизмов.

2. Модернизация действующих нерегулируемых электроприводов с целью энергосбережения позволяет получать максимально возможный экономический эффект за счёт минимальных капитальных затрат.

3. Частотное управление является основным способом достижения максимальной производительности асинхронного электропривода в статических режимах.

4. Технологические особенности электроприводов турбо-механизмов позволяют считать их как объектно-ориентированные электроприводы, работающие в основном в статических режимах.

Весомым аргументом в выборе частотно-регулируемого привода(ЧРП) стали преимущества асинхронного двигателя: высокая надежность, простота в эксплуатации, высокая степень защиты от внешнего среды, сравнительно низкая стоимость и малые эксплуатационные затраты.

...