Разработка электропривода центробежного насоса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Около 60 % затрат электроэнергии в промышленности и коммунальном хозяйстве (ЖКХ) приходится на долю электродвигателей. При этом большая часть этого энергопотребления приходится на приводные системы вентиляторов, компрессоров, насосов и других установок с циклическим режимом нагрузки

Быстрый рост цен на энергоносители и ресурсы привел к тому, что доля затрат на них в суммарных расходах на производство стала несоразмеримо большой. В результате перед многими промышленными предприятиями и предприятиями ЖКХ остро встала задача уменьшения энерго- и ресурсоемкости выпускаемой продукции и услуг, т.е. задача энергосбережения. Анализ расхода энергоресурсов на многих предприятиях показывает, что решение этой задачи имеет два направления - организационно-технические мероприятия, направленные на исключение бесполезного расходования энергоресурсов, и внедрение энерго-эффективных технологий и энергосберегающего оборудования, позволяющих выполнить тот же объем работ при меньших затратах энергии.

Электропривод, является энергосиловой основой современного производства и в свою очередь, среди промышленных электроприводов преобладают электроприводы с асинхронными короткозамкнутыми двигателями, потребляющие до 50% энергии потребляемой электроприводом. Эти электроприводы благодаря своей простоте и относительно невысокой стоимости, нашли широкое применение в различных механизмах. Общеизвестны и их недостатки - тяжелый пуск при прямом подключении к сети, сопровождающийся 6-7 кратными токами, и, как следствие, невысокая эксплуатационная надежность, трудность регулирования скорости.

Характерным примером использования асинхронных двигателей являются насосные станции холодного и горячего водоснабжения, канализационные насосные станции и системы отопления. Этот тип механизмов потребляет не менее 20-25% всей вырабатываемой электроэнергии.

Рассматривая отрасль коммунального водоснабжения, можно отметить, что реально потребляемый уровень электроэнергии далек от достаточного. Рост цен на электроэнергию заставляет задуматься о реально достаточном уровне потребления последней электродвигателями насосных установок.

Завышенный уровень потребления электроэнергий является следствием низкого КПД насосных установок и систем водоснабжения в целом.

В подавляющем большинстве случаев электроприводы указанных механизмов являются нерегулируемыми, что не позволяет обеспечить режим рационального энергопотребления и расхода при изменении технологических потребностей в широких пределах. Выбранные, исходя из максимальной производительности, эти механизмы значительную часть времени работают с меньшей производительностью, что определяется изменением потребности в разные периоды времени.

С внедрением в производство автоматической системы управления технологическими процессами качественно меняется форма и характер труда, повышается безопасность, квалификация и уровень знаний рабочих, стирается грань между физическим и умственным трудом.

Целью этого дипломного проекта является разработка электропривода центробежного насоса с использованием современной элементной базы, обеспечивающего выполнение следующих требований:

- экономия электроэнергии;

- возможность гибкой настройки привода при меняющихся режимах работы;

Для решения этой задачи требуется:

- ознакомится с процессом и технологией подачи воды;

- провести аналитический обзор технической литературы по данной проблематике;

- дать технико-экономическое обоснование выбранного принципа управления;

- осуществить выбор элементов электропривода, обеспечивающих работоспособность системы;

- разработать функциональные схемы системы автоматического управления;

- провести математическое описание объекта и системы управления;

- осуществить моделирование и исследование статики и динамики САУ на ЭВМ;

1. Технические требования к системе автоматИзации

электродвигатель преобразовательный кабель моделирование

Проектируемая установка входит в состав насосной станции, которая обеспечивает подачу холодной воды в водопроводную сеть жилищного комплекса.

Совместно с системой контроля и управления СУ, коммутационной аппаратурой, преобразователем частоты ПЧ, устройством плавного пуска УПП образуют станцию управления насосными агрегатами.

Применение регулируемого асинхронного электропривода для управления насосными агрегатами позволяет обеспечить:

· плавный пуск электродвигателя, отсутствие механических нагрузок на двигатель и бросков тока в сети;

· отсутствие гидравлических ударов;

· эффективное использование потребляемой насосным агрегатом мощности во всем диапазоне регулирования;

· обеспечение коэффициента мощности электродвигателя насоса на значении, близком к 1;

· снижение уровня шума при пуске и работе;

· обеспечение автономной и безопасной работы, интеграция в АСУ ТП.

Проектируемая насосная установка, должна обеспечивать следующие технические характеристики:

· Номинальная подача воды 315 м³/ч;

· Максимальная высота напора 65 м.

Электропривод центробежного насоса, который рассматривается, должен удовлетворять следующим требованиям:

· Поддержка постоянного напора в системе водоснабжения с точностью не ниже 1% и возможность, при необходимости, ручного регулирования его уровня;

· Исходя из технологического процесса, требования к восстановлению давления при наброске нагрузки составляет не больше 2 с;

· Обеспечение режима плавного пуска от задатчика интенсивности за время 1-5 с;

· Наличие защиты от неблагоприятных режимов работы насосной станции:

- защита от КЗ;

- защита от перегрузки по току;

- защита от превышения температуры обмотки двигателя;

- защита от пропадания и перекоса фаз;

- защита электронасосных агрегатов от работы в кавитационном режиме;

- индикация на лицевой панели «Сеть» «Работа» «Авария»;

- выбор режима работы «Ручной» / «Автоматический»;

- диспетчеризация: «Авария» каждого электронасоса («сухие» контакты);

· Привод должен быть нереверсивным;

· Электропитание установки осуществляется от 3-х фазной сети переменного тока 380/220 В, 50 Гц;

· Обеспечивать режим максимальной экономии при регулировании скорости.

Подход к проектированию системы управления насосной установки, силовой части и повода в целом, должен отвечать мировым тенденциям розвития электропривода.

Для реализации задачи управления насосной установки электропривод должен обеспечивать:

автоматическое, ручное управление пуском и остановкой насосной установки;

автоматическое изменение частоты вращения вала двигателя для поддержания постоянным давления в потребительской сети;

экстренный останов насоса в случае поступления аварийного сигнала от датчика (при отклонении параметров от допустимых технологических пределов);

защиту от аварийных режимов работы электродвигателя;

включение резервного насоса в случае аварии; автоматическое чередование насосов;

защита от «сухого» хода;

самозапуск после перепада напряжения.

САУ насосной установки должна обеспечить следующий показатель качества регулирования:

· статическая ошибка в установившихся режимах работы равна 0.

Характеристики переходных процессов должны удовлетворять следующим требованиям:

· перерегулирование при пуске не более 5%;

· перерегулирование при набросе или сбросе нагрузки - не более 10%.

При проектировании САУ должны быть предусмотрены меры по обеспечению безопасности при монтаже, эксплуатации, обслуживанию и ремонту технических средств в соответствии с действующими на территории Украины нормативными документами:

"Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий";

"Правила устройства электроустановок";

"Пожарная автоматика зданий и сооружений";

"Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Оборудование производственное. Общие требования безопасности";

"ССБТ. Цвета сигнальные и знаки безопасности".

Все внешние элементы технических средств САУ, находящиеся под напряжением, должны иметь защиту от случайного прикосновения.

Должен быть ограничен доступ к вращающимся частям насосной установки.

Электрические элементы должны иметь защитное зануление.

Должны быть приняты меры по ограничению уровня производственного шума, так как установка эксплуатируется в зоне жилых застроек, а также предусмотрены средства пожаротушения.

Требования к эргономике и технической эстетике обеспечиваются расположением насосной установки в хорошо освещенном, отапливаемом помещении, в месте удобном для ее обслуживания техническим персоналом, что позволит обеспечить быстроту, простоту экономичность технического обслуживания и ремонта в нормальных и аварийных условиях.

Конструкция и расположение щитов, пультов, должны обеспечить обозримость и простоту обслуживания.

Требования к эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту компонентов системы

Насосная установка должна размещаться в закрытом помещении, исключающем попадание атмосферных осадков и устанавливаться на специальный фундамент.

На оборудовании должны быть установлены таблички и нанесены обозначения для обеспечения быстроты монтажа и ремонта.

Площадь помещения должна соответствовать требованиям предприятий-изготовителей по размещению и обслуживанию технических средств и санитарных норм.

При проектировании электроснабжения и систем искусственного освещения помещений для размещения технических средств необходимо выполнять требования "Правил устройств электроустановок".

В данном разделе дипломного проекта приведены основные требования к разрабатываемой системе автоматизации насосной установки, которая обеспечивает подачу холодной воды в водопроводную сеть жилищного комплекса. Согласно требований пункта, проектируемая насосная установка, должна обеспечивать заявленные технические характеристики при максимальном экономическом эфекте, соответствовать требованиям безопасности при монтаже, эксплуатации, обслуживанию и ремонту, отвечать современным требованиям к эргономике и технической эстетике.

2. Общие сведения о технологическом процессе и задаче автоматизации насосной установки

2.1 Назначение и виды насосных станций

Насосные станции (НС) представляют собой сложный электрогидравлический технический комплекс сооружений и оборудования, в котором осуществляется преобразование электрической энергии в механическую энергию потока жидкости и управление этим процессом преобразования[1].

Насосные водопроводные станции в зависимости от места, занимаемого в общей системе водоснабжения, подразделяют на станции 1-го, 2-го, 3-го и последующих подъемов и канализационные. Их назначение показано в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Назначение и виды насосных станций

Объект	Задача
Насосная станция 1-го подъема	Управление глубинными насосами, расположенными в скважинах Поддержание заданного уровня воды в накопительном резервуаре Применяются в составе водоподъемных технологических сооружений совместно со станциями управления насосами 2-го и 3-го подъемов
Насосная станция 2-го подъема	Создание давления в водопроводной сети, с забором воды из аккумулирующей емкости Давление создается из расчета обеспечения застройки малой и средней этажности Поддержание постоянного значения давления согласно суточному или недельному графику
Насосная станция 3-го подъема и последующих подъемов	Создание и поддержание необходимого давления в трубопроводе с забором воды из станиии 2-го подъема для зданий средней и высокой этажности Поддержание постоянного значения давления или согласно суточному или недельному графику
Канализационная насосная станиня	В очистных сооружениях для перекачки дренажных вод, осушения подвалов жилых, производственных и прочих сооружений, котлованов и прочих емкостей во время строительных, спасательных и тому подобных работ

Основным назначением НС является обеспечение:

требуемого графика подачи жидкости для нормальных и аварийных условий;

наименьших затрат на сооружение, оснащение и эксплуатацию;

требуемой степени надежности и, следовательно, определенной степени бесперебойности работы;

долговечности, соответствующей технологической значимости объектов, в состав которых они входят;

удобства эксплуатации (широкое применение автоматики и телемеханики);

эксплуатации при непрерывно изменяющихся объемах, режимах потребления жидкости и изменяющемся составе потребителей.

В зависимости от назначения можно выделить следующие виды НС: хозяйственно-питьевого водоснабжения населенных пунктов и промышленных предприятий; оборотного водоснабжения промышленных предприятий; канализационные; систем теплоснабжения; дренажные; противопожарного водоснабжения; мелиоративные; нефтеперекачивающие и др.

По способу объединения насосов можно выделить НС с индивидуальной работой насосов и НС с совместной работой насосов. Первый случай характерен для НС с невысокими единичными мощностями насосов и низкими требованиями к надежности работы. Это характерно, например, для дренажных насосов. Совместно работающие насосы находят широкое применение на всех видах НС. При этом для обеспечения требуемых технологических показателей используется параллельное, последовательное и комбинированное соединение установок. Наиболее характерным является параллельное соединение насосов, применяемое на большинстве типов НС. Последовательное соединение применяется в тех случаях, когда необходимо создать достаточно высокое давление в системе, например, при транспортировке вязких растворов (нефть, ил и др.).

По главному регулируемому параметру НС можно разделить на станции с регулированием давления и станции с регулированием подачи.

Согласно требованиям к надежности обеспечения подачи транспортируемой жидкости к технологическому объекту НС могут быть отнесены к 1-й, 2-й или 3-й категории [2].

Среди рассмотренных выше видов НС преимущественное использование получили НС с параллельным соединением насосов, которые применяются в системах водоснабжения и водоотведения населенных пунктов, промышленных предприятий, системах оборотного водоснабжения технологических комплексов производственных объектов, в том числе на предприятиях цветной металлургии и нефтеперерабатывающих заводах.

Рис. 2.1 - Технологическая схема типовой насосной станции

На рис. 2.1 изображена технологическая схема типовой НС. Жидкость поступает во входной коллектор НС и аккумулируется в резервуаре. Из входного резервуара она откачивается насосами, подается в выходной коллектор НС и далее в магистральный трубопровод, откуда и распределяется по потребителям или поступает ко входу следующей НС. Для отделения насоса от трубопровода служат задвижки, размещенные на входном и напорном патрубках насоса. Кроме того, на выходном патрубке насоса установлен обратный клапан, предотвращающий обратный ток жидкости через насос. В качестве электроприводов насосов и задвижек применяются электродвигатели. В правой части рис. 2.1 размещена таблица, в которой для каждого из объектов НС приведен перечень контролируемых параметров. Данный перечень может изменяться в зависимости от назначения НС и мощности насосных установок.

2.2 Насосные установки

Основным энергетическим элементом НС является насосная установка, содержащая один или несколько насосов, всасывающую и нагнетательную систему трубопроводов, запорную арматуру, электропривод, а также датчики технологических параметров установки. В качестве основного силового оборудования на НС применяют объемные или динамические насосы.

Рис. 2.2 - Принципиальная схема центробежного насоса:

1 - рабочая камера; 2 - рабочее колесо; 3 - направляющий аппарат; 4 - вал; 5 - лопатка рабочего колеса; 6 - лопатка направляющего аппарата; 7 - нагнетательный патрубок; 8 - подшипник; 9 - корпус насоса (опорная стойка); 10 - гидравлическое торцовое уплотнение вала (сальник); 11 - всасывающий патрубок.

Объемные насосы работают по принципу вытеснения, когда давление перемещаемой жидкости повышается в результате сжатия. К ним относятся возвратно-поступательные (диафрагменные, поршневые) и роторные (аксиально-поршневые и радиально-поршневые, шиберные, зубчатые, винтовые и т. п.) насосы.

Динамические насосы работают по принципу силового воздействия на перемещаемую среду. К ним относятся лопастные (центробежные (рис.2.2), осевые) нагнетатели и нагнетатели трения (вихревые, дисковые, струйные и т. п.). Преимущественное использование получили насосы центробежного типа.

Основными характеристиками НС являются зависимости выходных подачи и давления жидкости от времени и входной подачи, а также от ряда возмущающих воздействий. Эти зависимости отражают изменение режима работы НС.

2.3 Регулирование режимов работы насосных установок

Для обеспечения заданного режима работы НС при изменении условий работы требуется производить регулирование режимов работы насосных установок. Эта задача может быть разделена на два направления: регулирование гидравлических режимов работы насосов и регулирование энергетической эффективности работы электропривода НС.

Для насосных установок центробежного типа применяют следующие способы регулирования подачи жидкости и давления:

дросселированием трубопровода;

перепуском части потока жидкости из выходного патрубка насоса во входной;

отключением или подключением насосов (ступенчатое регулирование);

изменением частоты вращения рабочего колеса насоса.

Дросселирование трубопровода является весьма распространенным способом регулирования давления и подачи жидкости. Регулирующим элементом в этом случае является механическое устройство в виде шибера, дроссель-клапана, задвижки, диафрагмы и т. п., которое располагается на напорном патрубке насоса и за счет своего перемещения изменяет поперечное сечение трубопровода [1].

Несмотря на простоту реализации данного способа регулирования он имеет ряд недостатков. Одним из них является снижение КПД НС, особенно при глубоком регулировании подачи. Это обусловлено тем, что энергия, затраченная на преодоление дополнительного сопротивления регулирующего устройства, преобразуется в тепловые потери, что и определяет низкую энергетическую эффективность данного подхода. Помимо этого, рост давления на выходе насоса при закрытии задвижки приводит к сокращению срока службы уплотнений и запорных устройств, а также к увеличению утечек жидкости через стыки и щели. Другим недостатком этого способа является возможность однозонного регулирования в сторону уменьшения подачи или напора насосной установки.

Регулирование напора перепуском основано на отведении части потока жидкости с выхода насоса на его вход через отвод с задвижкой. При этом энергия, затрачиваемая на циркуляцию жидкости по холостому кругу, не создает полезной работы, что снижает КПД установки, особенно сильно при глубоком регулировании. Как и в предыдущем методе, подача НС регулируется только в сторону уменьшения.

Ступенчатое регулирование подачи насосной станции осуществляется за счет подключения или отключения насоса или группы насосов. Данный способ характеризуется простотой управления, так как не требует дополнительных регулирующих устройств. Однако он не позволяет обеспечить непрерывное и качественное поддержание напора при изменении потребления жидкости и вызывает частые пуски двигателей, что уменьшает срок работы оборудования и требует строительства промежуточного аккумулирующего резервуара для сглаживания колебаний подачи НС. Кроме того, электроприводы работают не в оптимальном режиме, что также снижает КПД всей НС.

Указанные особенности обусловливают сокращение НС, на которых применяются рассмотренные выше способы регулирования.

Изменение частоты вращения рабочего колеса насосной установки позволяет осуществить непрерывное регулирование производительности НС с меньшими затратами энергии, чем в предыдущих вариантах [2]. Однако оно требует больших затрат на регулирующее оборудование, особенно для установок с мощностью выше средней, и приводит к ухудшению электромагнитной совместимости с питающей сетью. Тем не менее снижающаяся стоимость регулируемых электроприводов делает этот способ наиболее перспективным.

2.3.1 Основные функции автоматической системы регулирования НС

Согласно требованиям СНиП насосные станции всех назначений должны проектироваться, как правило, с управлением без постоянного обслуживающего персонала: автоматическим -- в зависимости от технологических параметров (уровня воды в емкостях, давления или расхода воды в сети); дистанционным (телемеханическим) -- из пункта управления; местным -- периодически приходящим персоналом с передачей необходимых сигналов на пункт управления или на пункт с постоянным присутствием обслуживающего персонала.

Управление регулируемым электроприводом в основном следует осуществлять автоматически в зависимости от давления в диктующих точках сети, расхода воды, подаваемой в сеть, уровня воды в резервуарах.

В НС следует предусматривать измерение давления в напорных водоводах и у каждого насосного агрегата, расходов воды на напорных водоводах, а также контроль уровня воды в дренажных приямках и вакуум-котле, температуры подшипников агрегатов (при необходимости), аварийного уровня затопления (появления воды в машинном зале на уровне фундаментов электроприводов). При мощности насосного агрегата 100 кВт и более необходимо предусматривать периодическое определение КПД с погрешностью не более 3%.

Рис. 2.3 - Структура насосной станции

При автоматическом или дистанционном (телемеханическом) управлении должно предусматриваться также местное управление.

В насосных станциях должна предусматриваться автоматизация следующих вспомогательных процессов: промывки вращающихся сеток по заданной программе, регулируемой по времени или перепаду уровней, откачки дренажных вод по уровням воды в приямке, электроотопления по температуре воздуха в помещении, а также вентиляции.

2.3.2 Структура автоматизированной НС

Упрощенная электрическая схема силовых цепей показана на рис.2.3а. Штриховой линией со звездочкой обозначена взаимная механическая блокировка контактных аппаратов, запрещающая одновременное подключение электродвигателя к сети и к преобразователю частоты. Взаимодействие блоков станции и гидравлической системы показано на рис.2.3б.

Упрощенная структурная схема автоматизированной НС с частотно-регулируемым электроприводом приведена на рис. 2.4.

Электроснабжение НС осуществляется от трансформаторной подстанции ТП. 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.

Рис. 2.4 - Структурная схема автоматизированной насосной станции

В машзале НС размещено основное и вспомогательное оборудование НС. Основное оборудование включает насосы ЦН1-ЦН3, электроприводы М1-М3. В состав вспомогательного оборудования входят: дренажные, пожарные, вакуум-насосы; задвижки; вентиляторы; обогреватели и другое оборудование. Управление им производится при помощи исполнительных механизмов ИМ1-Имn.

Для получения информации о значениях регулируемых параметров служат датчики Д1-Дm.

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. 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.

Вывод.

В даном разделе дипломного проекта рассмотрены общие сведения о технологическом процессе и задаче автоматизации насосной установки. Приведены сведения о типах насосных установок и их составляющих частей, осных режимах работы и способах обеспечения заданного режима работы НС.

3. Аналитический обзор методов управления насосными установками

3.1 Регулировка подачи насосов

Подача насоса регулируется, в основном, тремя разными способами:

Дросселированием с помощью клапанов

Прерывистым регулированием (пуск - остановка)

Регулированием скорости вращения насоса с помощью регулируемого электропривода.

На промышленных предприятиях наиболее распространенный способ регулирования дросселированием. Это регулирование осуществляется путем введения в нагнетающую магистраль различных заслонок. КПД регулирования дросселированием значительно хуже чем КПД регулированием скорости вращения, при котором экономия энергии часто превышает 50%. Этот способ применяется для маломощных установок и характеризуется небольшим диапазоном регулирования. Преимуществом этого способа является простота реализации.

Регулирование насосов на водопроводных и водоочистительных сооружениях выполняется прерывистым способом регулирования. К недостаткам этого способа принадлежат: невысокий КПД, частые пуски и остановки, отрицательно действующие на трубопроводы и оборудование, невозможность плавного регулирования. При использовании данного способа регулирования необходимо предусматривать необходимый запас по мощности двигателя. Преимуществом этого способа является достаточно высокая экономичность, поскольку отсутствуют дополнительные потери при регулировании подачи.

Регулирование скорости вращения позволяет осуществлять точное и плавное регулирование. Благодаря применению регулирования скорости вращения трубопроводы и клапаны получают меньшую нагрузку; увеличивается их срок службы, и уменьшается потребность в их обслуживании [4].

В отличие от прямого пуска, электродвигатель насоса с регулированием от преобразователя частоты получает из сети лишь часть пускового тока. Таким образом, габаритные размеры электрооборудования можно сократить и снизить затраты на их приобретение. Благодаря применению приовода с преобразователем частоты габариты двигателя можно уменьшить на 10-20%.

Статическая нагрузка на магистраль уменьшается, так как система не работает постоянно при высоком давлении. Давление поддерживается на заданном уровне.

Динамические нагрузки заметно снижаются при «мягком» регулировании в сравнении с прерывчатым регулированием. Устраняются гидравлические удары, которые изнашивают трубопроводы и оборудование. Срок службы оборудования может даже удваиваться.

Регулирование путем изменения скорости вращения также позволяет осуществлять экономию энергии [4].

Исходя из вышесказанного, как способ регулирования напора выбираем регулирование путем изменения скорости вращения насоса.

Механизмы центробежного типа в силу особенностей их конструкций и условий технологического процесса не требуют реверсирования, их скорость согласуется со скоростью двигателя, поэтому електропривод этих установок выполняется безредукторным и поставляется обычно вместе с механизмом.

Отличительной особенностью рассмотренной группы механизмов есть облегченные условия их пуска. Эти механизмы, как в нормальных условиях, так и после аварийного отключения пускаются, как правило, вхолостую. При этом момент трогания не превышает 30-35% номинального момента. Для установок вентиляторного типа, которые пускаются под нагрузкой, момент сопротивления плавно возрастает с увеличением скорости, которая благоприятно согласуется с формой механической характеристики асинхронного двигателя. В результате прямой пуск рассмотренных механизмов с асинхронным короткозамкнутым двигателем или синхронным двигателем с асинхронной пусковой обмоткой происходит под действием практически неизменного динамического момента. Отмеченные особенности механизмов центробежного типа разрешают в большинстве случаев для их привода использовать нерегулированные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. В установках значительной мощности целесообразное применение синхронных двигателей, которые позволяют активно влиять на результирующую реактивную мощность, потребляемую из сети промышленным предприятием.

На некоторых больших установках вентиляторного типа суммарный момент инерции электропривода значительно превышает момент инерции двигателя. При этом прямой пуск оказывается затянутым и сопровождается значительным нагреванием обмоток асинхронного короткозамкнутого или синхронного двигателя. Поэтому в электроприводе указанных установок находят применение асинхронные двигатели с фазным ротором и в том случае, когда регулирование скорости не нужно. Реостатный способ пуска таких двигателей облегчает процесс разгонки установки, уменьшает пусковые тока и нагрев обмоток двигателя.

Множество насосных установок работают в условиях агрессивной, взрывоопасной среды, при высоких температурах и влажности. Для таких установок применяются преимущественно асинхронные короткозамкнутые двигатели закрытого выполнения. Для особенно тяжелых условий эксплуатации двигатели специальной конструкции.

В установках, которые требуют плавного и автоматического регулирования подачи, электропривод выполняется регулированный. Характеристики механизмов центробежного типа создают благоприятные условия работы регулируемого электропривода, как относительно статических нагрузок, так и необходимого диапазона регулирования скорости. Из механических характеристик следует, что при уменьшении скорости, по крайней мере квадратично, снижается и момент сопротивления на валу двигателя. Это облегчает тепловой режим двигателя при работе на сниженной скорости. Необходимый диапазон регулирования скорости при условии отсутствия статического напора Н_ст=0 не превышает заданный диапазон изменения подачи.

В среднем для регулируемых механизмов центробежного типа необходимый диапазон регулирования скорости обычно не превосходит 2:1. Отмеченные особенности данных механизмов и невысокие требования относительно жесткости механических характеристик позволяют успешно применять для них простые в реализации варианты регулированного асинхронного электропривода [5-7].

Рассмотрим основные варианты применяемых регулируемых электроприводов.

Для установок сравнительно небольшой мощности (7-10 кВт) задача регулирования успешно решается с помощью системы регулятор напряжения -асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Как регулятор напряжения применения находит тиристорный коммутатор. Вентиляторная механическая характеристика нагрузки позволяет обеспечить устойчивую работу электропривода по системе тиристорный коммутатор - асинхронный двигатель в довольно большом диапазоне скорости без обратных связей.

Обычное изменение технологического режима, в котором принимает участие регулируемый электропривод, протекает довольно медленно и не требует высокого быстродействия. Поэтому как регулятор напряжения может быть использован трехфазный магнитный усилитель, включенный в цепь статора. Довольно просто реализовать и импульсный способ регулирования скорости асинхронного двигателя. Тиристорный ключ, замыкаясь и размыкаясь, изменяет среднее за цикл коммутации значения дополнительного сопротивления. Это сопротивление пропорционально скважности широтно-импульсной модуляции. Регулируя скважность, можно получить семейство механических характеристик электропривода. Скважность зависит от управляющего напряжения на входе системы управления тиристорным ключом. Так как критическое скольжение двигателя уменьшается при увеличении дополнительного сопротивления, то диапазон скоростей устойчивой работы привода даже при «вентиляторной» характеристике механизма оказывается довольно незначительным. Введение обратной связи по скорости обеспечивает жесткие механические характеристики и устойчивую работу замкнутой системы электропривода в необходимом для механизма диапазоне скоростей.

Общим недостатком рассмотренных вариантов регулированного электропривода есть выделение потерь скольжения при снижении скорости в самом двигателе. Эти потери вызывают дополнительное нагревание двигателя и требуют соответствующего завышения установленной мощности двигателя.

В установках, где по условиям эксплуатации допустимо применение асинхронного двигателя с фазным ротором, возможности регулируемого электропривода расширяются. Введение дополнительного сопротивления в цепь ротора позволяет вывести часть потерь скольжения из обмоток двигателя. Благодаря этому снижается необходимое завышение габарита двигателя и появляется возможность расширить диапазон мощностей привода при рассмотренных выше способах регулирования скорости. Например, импульсный способ регулирования окажется более целесообразным относительно коммутации дополнительного сопротивления в роторной цепи. При этом механические характеристики привода обеспечивают устойчивую работу в довольно большом диапазоне скоростей при разомкнутой системе электропривода.

Во всех рассмотренных вариантах имеют место значительные потери скольжения, которые рассеиваются в виде тепла в обмотках двигателя, в регулировочных сопротивлениях или в муфте скольжения, и КПД электропривода оказывается низким. Поэтому для электроприводов рассмотренных механизмов мощностью от сотни и тысячи киловатт находят применение каскадные варианты регулирования скорости, в которых потери скольжения возвращаются в сеть или на вал двигателя.

При больших диапазонах регулирования (D >2) и высоких требований к жесткости механических характеристик электропривода перспективна схема транзисторный преобразователь частоты -- асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Отсутствие необходимости в электрическом торможении и реверсе привода механизмов центробежного типа упрощает структуру транзисторного преобразователя частоты и позволяет выполнить его на базе автономного инвертора напряжения и управляемого выпрямителя.

Первоначально из-за отсутствия надежных и дешевых преобразователей частоты (ПЧ) для управления скоростью насоса в продолжительном режиме пытались использовать преобразователи напряжения (ПН), т.е осуществлять так называемое параметрическое регулирование.

Этот способ привлекателен тем, что тиристорный преобразователь напряжения (ТПН) очень прост и дешев. Однако, существует принципиальное ограничение на использование параметрического регулирования в продолжительном режиме - большие потери энергии в двигателе. Для того, чтобы все-таки использовать этот способ, энтузиасты идут на завышение установленной мощности электродвигателя в 2-2,5 раза, использование специально ухудшенного ротора с повышенным скольжением.

Очевидно, что при этом система с дешевым преобразователем ТПН оказывается слишком дорогой и нерациональной в практической реализации. Система ПЧ-АД, в которой скорость двигателя регулируется изменением частоты питающего напряжения, полностью лишена перечисленных недостатков. В этой системе экономится примерно вдвое больше энергии, так как в системах с ТПН половина экономящейся в насосе энергии рассеивается в двигателе, непредсказуемо уменьшая срок службы его подшипников и других деталей.

Из изложенного следует важный вывод: наиболее эффективный способ регулирования скорости АД - изменение частоты с одновременным изменением напряжения при использовании ПЧ. При этом срок окупаемости инвестиций в оборудование составляет от 6 до 18 месяцев в зависимости от механизма, режимов его работы и мощности приводного двигателя [8].

Изменять частоту оборотов имеет смысл только до определённой величины, при которой напор турбомеханизма станет равным статическому напору. При дальнейшем понижении производительности насоса, напора развиваемого турбомеханизмом будет недостаточно, чтобы преодолеть статический напор в сети.

3.2 Выбор принятых показателей качества

В процессе разработки систем автоматического управления и регулирования приходится учитывать весьма разнообразный комплекс требований, связанный с различными их характеристиками. Эти требования можно объединить в некоторые основные группы.

К первой группе критериев следует отнести требования, связанные со статическими и динамическими свойствами. Среди них важнейшее место занимают точностные характеристики. Они определяют ошибки, которые могут иметь место в системе управления в различных режимах.

Ко второй группе относятся требования, связанные с надежностью работы систем управления, ее устойчивостью к влиянию внешних воздействий. Сюда относятся в первую очередь такие требования как вероятность безотказной работы, интервал рабочих температур, вибростойкость, ресурс, условия хранения.

К третьей группе относятся требования связанные с характером эксплуатации систем управления. Сюда относятся условия обслуживания системы в процессе ее работ, квалификация обслуживающего персонала, возможность ремонта.

К четвертой группе относятся требования, связанные с допустимой массой и габаритами системы и допустимым потреблением энергии.

К пятой группе относятся требования, связанные с технологичностью изготовления системы управления.

Для нашего случая выделяем следующие показатели качества, предъявленные к системе управления электроприводом насосного агрегата:

1. максимальная точность системы.

2. максимальный КПД.

3. минимальная стоимость.

4. минимальные габариты.

3.3. Обоснование выбора системы регулирования привода по схеме ПЧ-АД

Наиболее перспективных и широко используемых в настоящее время способов регулирования скорости АД является частотный способ. Этот способ обеспечит плавное регулирование в широком диапазоне, получаемые характеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ к тому же отличается и еще одним весьма важным свойством: при регулировании скорости АД не происходит увеличения его скольжения, как это имеет место, например, при реостатном регулировании.

Рассмотрим характеристики основных типов ПЧ.

НПЧ предназначен для преобразования высокой частоты в низкую и состоит из 18 тиристоров, объединенных во встречно-параллельные группы (рис.3.1). В основе преобразователя лежит трехфазная нулевая схема выпрямления; каждая фаза преобразователя состоит из двух таких встречно включенных выпрямителей.

НПЧ различают с раздельным и совместным управлением.

При раздельном управлении управляющие импульсы должны подаваться на тиристоры одной из вентильных групп в соответствии с направлением тока в нагрузке. Для обеспечения раздельной работы применяется специальное логическое устройство, исключающее возможность прохождения тока в одной группе в то время, когда ток проходит в другой группе.

В преобразователях с совместной работой вентильных групп необходимо включение дополнительных реакторов, ограничивающих уравнительный ток между вентилями каждой группы, а углы управления положительной и отрицательной групп изменяются по определенному закону, исключающему появление постоянной составляющей уравнительного тока. Преобразователи с совместным управлением работой вентильных групп обладают большой установленной мощностью силовых элементов.

Для получения выходного напряжения, близкого по форме к синусоидальному, необходимо изменять угол включения вентилей таким образом, чтобы среднее за полупериод питающей сети значение напряжения изменялось в течение полупериода выходного напряжения по синусоидальному закону. Регулирование частоты и напряжения на выходе преобразователя достигается изменением угла включения вентилей.

К достоинствам этого типа преобразователей можно отнести:

1) однократное преобразование энергии и, следовательно, высокий КПД (около 0,97--0,98);

2) возможность независимого регулирования амплитуды напряжения на выходе от частоты;

3) свободный обмен реактивной и активной энергией из сети к двигателю и обратно

4) отсутствие коммутирующих конденсаторов, так как коммутация тиристоров производится естественным путем (напряжением сети).

К недостаткам рассмотренного ПЧ относятся:

1) ограниченное регулирование выходной

2) сравнительно большое число силовых вентилей и сложная схема управления ими;

3) невысокий коэффициент мощности -- максимальное значение на входе преобразователя около 0,8.

Рис. 3.1 - ПЧ с непосредственной связью

ПЧ со звеном постоянного тока:

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобрaзовaтели с явно выраженным звеном постоянного тока, функциональная схема которого приведена на рис. 3.2. В преобрaзовaтелях этого клaссa используется двойное преобрaзовaние электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (УВ), фильтруется фильтром ©, сглaживaется, a затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобрaзовaние энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению мaссогaбaритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Преобразователь с промежуточным звеном постоянного тока позволяет регулировать частоту как вверх, так и вниз от частоты питающей сети; он отличается высоким КПД (около 0,96), значительным быстродействием, сравнительно малыми габаритами и надежностью.

Рис. 3.2 - Функциональная схема ПЧ со звеном постоянного тока.

СФ - сетевой фильтр для отсечения высших гармоник; В - выпрямитель, обычно не регулируемый (в ПЧ первого поколения) для регулирования напряжения в звене постоянного тока; ДН и ДТ - датчики напряжения и тока; ТК - тормозни ключ; АИ - автономный инвертор, обычно ШИМ (рис.3.3); МФ - мотор-фильтр, уменьшение высших гармоник на двигатель; СУ - система управления.

В качестве запираемых ключей в АИ (рис. 3.3).могут использоваться GTO тиристоры или IGBT транзисторы.

Тиристор является полуупрaвляемым прибором: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий вывод, но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для этого в тиристорным преобрaзовaтеле частоты требуется сложная и громоздкая система управления.

Рис. 3.3 - Принципиальная схема АИ

Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость, простая неэнергоемкая система управления, сaмaя высокая рaбочaя чaстотa.

Вследствие этого преобрaзовaтели частоты на IGBT позволяют расширить диaпaзон управления скорости вращения двигателя, повысить быстродействие привода в целом.

Применение IGBT с более высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорной системой управления в преобрaзовaтелях частоты снижает уровень высших гармоник, хaрaктерных для тиристорных преобрaзовaтелей. Как следствие - меньшие добавочные потери в обмотках и мaгнитопроводе электродвигателя, уменьшение нaгревa электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение так нaзывaемого «шaгaния» роторa в области малых частот. Снижаются потери в трaнсформaторaх, конденсаторных бaтaреях, увеличивaется их срок службы и изоляции проводов, уменьшaются количество ложных срaбaтывaний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.

Изменением периода подачи управляючих импульсов на силовые ключи достигается изменение частоты напряжения подваемого на двигатель (рис. 3.4).

Рис. 3.4 - Алгоритм подачи импульсов на транзисторы

При таком алгоритме в любой момент времени работают три силовых ключа (VT1, VT4, VT6)

Для работы двигателя необходимо с изменением частоты изменять и напряжение. Для этого его изменяют в звене постоянного тока либо используют ШИМ. При выборе соотношений между частотой и напряжением чаще всего исходят их условий сохранения перегрузочной способности.

Выбор преобразователя частоты производят исходя из условий:

; ;

Таким образом, на основании проведенного аналитического обзора, к проектированию принимается система частотного регулирования скорости - транзисторный преобразователь частоты - асинхронный двигатель.

4. Определение основных элементов электропривода

4.1 Расчет мощности и выбор электродвигателя насосной установки

Для выполнения требований технического задания необходимо произвести расчет мощности и по каталогам производителей выбрать соответствующие оборудование. [ 10-13 ]

Так как поставленной задачей является регулирование напора изменением частоты вращения рабочего колеса насоса, то привод, выбираемый в данной установке, должен иметь возможность изменения скорости вращения вала двигателя.

Основным звеном в системе электропривода является электродвигатель. Известно, что применение асинхронных двигателей повышает надежность электропривода, а также снижает капитальные затраты и эксплуатационные расходы.

Описание насосного оборудования.

На насосной станции второго подъема для повышения надежности установлены два центробежных насоса типа 1Д315-71.

Насосы центробежные двустороннего входа типа Д предназначены для перекачивания воды и других жидкостей, имеющих сходные с водой свойства по вязкости до 36*10-6 м2/с (36сСт) и химической активности, температурой от 274 до 358К (от 1 до 85°С), не содержащих твердых включений по массе более 0,05%, размеру более 0,2 мм и микротвердостью более 6,5 Гпа (650кгс/мм2).

Насосы относятся к изделиям общего назначения вида I (восстанавливаемые)

ГОСТ 27.003-90. Насосы изготавливаются в климатическом исполнении УХЛ категории размещения 3.1 и климатическом исполнении Т категории размещения 2 по ГОСТ 15150-69.

Насосы (агрегаты) не предназначены для эксплуатации во взрыво и пожароопасных помещениях.

Общие требования безопасности насосов и агрегатов соответствуют

ГОСТ Р52743.

Условное обозначение насоса:

Насос (агрегат) 1Д315-71 УХЛ3.1 ТУ26-06-1510-88 1.

Где 1 - первая модернизация;

Д - двустороннего входа;

315 - подача, м3/ч;

71 - напор, м;

УХЛ или Т - климатическое исполнение;

3.1 или 2- категория размещения;

В табл. 4.1. приведены номинальные данные насоса.

Таблица 4.1. - Номинальные данные центробежного насоса 1Д315-71.

Параметр	Обозначение	Значение	Ед. измерения
Подача	Q	315 (0,087)	м3/час (м3/с)
Напор	H	71,00	м
Частота вращения	n	1450 (24.2)	об/мин (сек-1)
Максимальная потребляемая мощность	N	97,00	кВт
Допускаемый кавитационный запас	?H	6,5	м, не менее
Масса насоса	m	450	кг
КПД	н	83	%
Момент инерции	Jн	1.91	кгм2

Насосы относятся к тем механизмам, в которых нельзя точно сказать какая нагрузка будет на валу двигателя в данный момент времени. Если рассматривать работу насосов статистически, то большую часть времени потребление воды будет небольшим, соответственно система регулирования снизит скорость насосов настолько, чтоб напор держался постоянным. Ввиду этого потребление мощности из сети будет небольшим, но вполне возможны и такие случаи, при которых потребление и, следовательно, скорость будут высоки. Поэтому двигатели следует выбирать под номинальные параметры насоса.

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 ].

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

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.

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.

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.

...