Имитационная модель системы "преобразователь частоты – асинхронный электродвигатель" насосов системы водоснабжения с адаптивным алгоритмом управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Имитационная модель системы «преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель» насосов системы водоснабжения с адаптивным алгоритмом управления

Энергосбережение в системах водоснабжения в настоящее время является актуальной задачей, так позволяет не только экономить электроэнергию и воду, но и сократить перебои с водоснабжением в связи с авариями водопровода.

Одним из путей энергосбережения является создание энергосберегающих электроприводов, позволяющих максимально возможно снижать потребление электрической энергии, обеспечивая при этом максимальный КПД насосного агрегата.

В настоящее время применяются системы башенного, резервуарного и прямоточного водоснабжения /3/. Недостаток систем башенного и резервуарного водоснабжения состоит в том, что для создания напора в системе водоснабжения используется башня или резервуар. В то время как в прямоточной системе водоснабжения башня или резервуар служит только для противопожарных нужд, а давление в трубопроводе создается самим электроприводом насоса.

Применение прямоточной системы водоснабжения снижает аварийность, вызванную дополнительным элементом системы, создающим давление в системе водоснабжения.

На Рисунок 1 представлено суточное потребление воды животноводческого комплекса на 100 коров, на котором видно неравномерность потребления в разное время суток. В связи с такой неравномерностью воды нерегулируемый электропривод будет потреблять чрезмерное количество электроэнергии в часы наименьшего водопотребления.

Рисунок 1. Суточный график потребления воды животноводческого комплекса на 100 коров

водоснабжение резервуар насос электропривод

Применение регулируемого электропривода позволит также сократить энергопотребление в связи с тем, что при малом потреблении воды будет снижаться частота вращения до значения, необходимого для обеспечения

В качестве электроприводов применяют асинхронные электродвигатели переменного тока. Основное их преимущество это простота конструкции и дешевизна их производства.

В качестве недостатка можно выделить большие пусковые токи и сложность регулирования.

Наиболее перспективным направлением на сегодняшний день является применение преобразователей частоты с промежуточным звеном постоянного тока для асинхронного электропривода. Данные преобразователи обеспечивают регулирование в широком диапазоне частот, что важно для адаптации водопотребления под минимальные расходы воды.

В современных преобразователях частоты заложено несколько алгоритмов управления, которые не являются оптимальными, так как позволяют программировать закон регулирования по 3-5 точкам функции U(f).

Из расчетных значений количества ступеней закона регулирования электропривода было выявлено, для задания закона регулирования в преобразователе частоты при графике водопотребления животноводческой фермы, оптимальным является количество точек 10-12 функции U(f), показанное на рисунке 3.

Рисунок 2. Зависимость энергопотребления от количества ступеней закона регулирования U(f)

Такое количество точек не позволяют настраивать современные преобразователи частоты, поэтому был составлен адаптивный алгоритм управления, описанный в /1/, в котором в качестве оптимизируемого параметра была активная составляющая тока статора.

На основе адаптивного алгоритма была составлена компьютерная модель в системе MATLAB, в которой произвится регулирование напряжения при постоянной частоте питающей сети для насоса К8/18 с электродвигателем мощностью 1,5 кВт.

Рисунок 3. Иммитационная модель в системе MATLAB до регулирования напряжения

Рисунок 4. Зависимость тока статора фазы А от времени до регулирования напряжения

До регулирования напряжения при частоте 50 Гц максимальное значение тока статора фазы А равно 23,8448 А, а минимальное значение равно -20,5550 А. Эти значения которые зафиксированы при пуске электродвигателя (Рисунок 3).

Рисунок 5. Иммитационная модель в системе MATLAB после регулирования напряжения

Рисунок 6. Зависимость тока статора фазы А от времени после регулирования напряжения в процессе работы

До регулирования напряжения при частоте 50 Гц максимальное значение тока статора фазы А равно 23,2581 А, а минимальное значение равно -20,1998 А. Эти значения которые зафиксированы при пуске электродвигателя (Рисунок 5).

На основе полученных на компьютерной модели зависимостей уменьшения фазного тока было произведено экспериментальное обоснование снижения тока статора при изменении частоты питающей сети и регулирования напряжения.

На рисунке 4 представлена зависимость потребления электрической энергии от частоты питающей сети, из которого можно сделать вывод о том, то при адаптивном законе управления активная мощность значительно меньше, чем при линейном законе управления.

Рисунок 7. Зависимость изменения активной мощности при линейном и оптимальном законе управления от частоты питающей сети

На рисунке 5 приведена зависимость рабочего тока статора фазы А от частоты питающей сети из которой видно, что при оптимальном законе управления потребляемый ток меньше, чем при линейном законе управления.

Рисунок 8. Зависимость тока фазы А статора от частоты питающей сети

На рисунке 6 представлена степень уменьшения активной энергии при различной частоте питающей сети, из которой видно, что при разных частотах активная мощность уменьшается

Рисунок 9. Зависимость уменьшения активной электроэнергии от частоты питающей сети при линейном и оптимальном законах управления.

При регулировании напряжения ток фазы А изменяется (рисунок 7), таким образом давая экономию электроэнергии.

Рисунок 10. Изменение фазного тока в зависимости от изменения напряжения и частоты питающей сети.

Из рисунка 7 видно, что при одинаковой частоте и различном напряжении можно найти минимальное значение фазного тока, и. следовательно, минимальное энергопотребление.

Ни рисунке 8 показано изменение частоты вращения при регулировании напряжения.

Рисунок 11. Изменение частоты вращения ротора в зависимости от изменения напряжения и частоты питающей сети

Из рисунка 8 видно, что при одинаковой частоте и различном напряжении меняется на 30-50 об/мин, что практически не сказывается на давлении в системе водоснабжения.

Из этого можно сделать вывод, что математическая модель адекватна физической модели. По результатам опытов выявлено, что использование адаптивного алгоритма управления позволит снизить потребление электроэнергии в среднем на 5-7% путем минимизации тока статора.

Для защиты электродвигателей использующих частотное регулирование нецелесообразно использовать фильтровые защиты (фильтры напряжения прямой и обратной последовательности). В этом случае нужно использовать температурные защиты если водоснабжение осуществляется из открытых источников. Если используются погружные электродвигатели, то целесообразно использовать микропроцессорные защиты, алгоритм работы которых осуществляется с учетом изменения тока статора в зависимости от частоты питающей сети.

Литература

1. Таранов Д.М., Каун О.Ю., Гуляев П.В., Гуляева Т.В., Лыткин А.В. Адаптивный энергосберегающий алгоритм управления для преобразователей частоты привода насосов системы водоснабжения, Научный журнал КубГАУ, №96 (02), 2014 года. Электронный ресурс. Режим доступа - http://ej.kubagro.ru/2014/02/pdf/10.pdf

2. Каун О.Ю. Реализация адаптивного алгоритма управления для

преобразователей частоты электропривода насосов системы водоснабжения комплексов КРС. ВИЭСХ. Инновации в сельском хозяйстве. Теоретический и научно-практический журнал. 4 (9)/2014.

3. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Машины переменного тока: Учебник для вузов. - Санкт-Петербург.: Питер, 2008. - 350 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru