Проектирование автоматизированного электропривода насосного агрегата подачи воды

электропривод автоматизированный преобразователь

На данном этапе технического прогресса во всех развитых странах мира в последние годы принято направление, согласно которому необходимо как можно эффективнее распределять и использовать все виды энергоресурсов. Это позволяет не только сберечь потраченные средства, но и рационализировать производство посредством его модернизации.

Так основными мероприятиями по энергосбережению и в частности в данном дипломном проекте являются: оптимальный выбор мощности электродвигателя насосной установки, а также использование частотно-регулируемого электропривода.

Турбомеханизмы являются машинами массового применения. Около 25% всей вырабатываемой электроэнергии расходуется на электропривод насосов, вентиляторов и компрессоров. Техническое совершенство и экономичность электроприводов турбомеханизмов в значительной степени определяют рациональность использования электроэнергии в народном хозяйстве. Под экономичностью электропривода следует понимать не только его минимальную стоимость и высокие энергетические показатели, но и такое качество электропривода, как регулируемость. Высокая экономичность электропривода позволяет турбомеханизмам производить работу, необходимую по технологическим условиям, с наименьшими энергетическими затратами.

Большинство насосных установок стран постсоветского пространства использует нерегулируемый электропривод, что приводит к лишним затратам электроэнергии. Использование регулируемого электропривода насосных агрегатов показало, что регулирование скорости рабочего колеса насосов позволяет существенно повысить энергетические показатели установок, получить значительную экономию электроэнергии, и сократить потери воды за счет исключения избытка давления в гидравлической сети.

Таким образом, производится модернизация действующих насосных установок с применением в цепи питания преобразователей частоты, позволяющих регулировать скорость двигателя. При этом используются преобразователи как иностранных, так и отечественных фирм-производителей.

Целью данного дипломного проекта является проектирование частотно-регулируемого электропривода насосной установки. Применение частотно-регулируемого электропривода турбомеханизмов позволяет обеспечить требуемые технологические показатели при существенном сокращении затрат электроэнергии. Тема данного дипломного проекта является весьма актуальной в настоящее время.

1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ И ФОРМУЛИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К АВТОМАТИЗИРОВАННОМУ ЭЛЕКТРОПРИВОДУ

«Мозырский нефтеперерабатывающий завод» (полное наименование Открытое Акционерное Общество «Мозырский нефтеперерабатывающий завод») — одно из двух белорусских нефтеперерабатывающих предприятий. Завод расположен в промышленной зоне города Мозыря в 15 км к югу от жилых массивов города. Предприятие является крупномасштабным, и для правильного ведения технологического процесса всего завода, необходимо своевременное, и в достаточном количестве поступление как технологической, так и питьевой воды на территорию завода и близ расположенных объектов. Для решения этой проблемы были применены насосы для подъёма и транспорта воды на необходимые расстояния.

1.1 Описание промышленной установки

Для обеспечения водой завода и околозаводных объектов используется оборудование, расположенное на станции «Насосная II — IV подъёма». На станции размещены насосные установки для обеспечения подачи питьевой и технологической воды. По сути, станция и разделена на два типа перекачиваемой жидкости. Второй этап подъёма говорит о менее тщательной фильтрации воды, в отличие от четвёртого, где вода фильтровалась как минимум трижды.

Часть насосов, расположенных в машинном отделении перекачивает воду для обеспечения рабочего персонала чистой питьевой водой. Другие насосы необходимы для подачи технологической воды на блоки первичной и вторичной переработки нефти, производства химических веществ, и других установок, не требующих высокого качества фильтрации воды. Причём, если для технологической воды станция является вторым этапом подъёма, то для питьевой воды это уже четвёртый. В зависимости от вида используемой воды, для её забора используются различные источники, такие как природные водоёмы, реки, родники, после чего поступает в резервуары, также разделённые по типу находящейся в них воды, и по объёму.

Представим общий вид промышленной установки на следующем рисунке 1.1:

Рисунок 1.1 — Общий вид промышленной установки с размещением оборудования На рисунке 1.1 приняты следующие условные обозначения:

Н1 … Н9 — насосы, соответственно 1 … 9;

М1 … М9 — двигатели, соответственно 1 … 9.

В данном дипломном проекте стоит задача модернизации процесса подачи питьевой воды на Мозырский нефтеперерабатывающий завод

1.2 Анализ технологического процесса промышленной установки и выбор управляемых координат электропривода

В нашем технологическом процессе применяется 4 параллельно установленные насосные установки. Однако при этом один насос работает постоянно (Н6 или Н7), а третий включается при аварийном останове одного из рабочих насосов. Четвёртый насос (Н9) необходим на случай пожарных ситуаций и постоянно выключен. Насос Н6 является основным рабочим насосом, который постоянно поддерживает необходимый напор в сети, определяющийся режимом водопотребления. Насос Н7 предназначен для поддержания (подкачки) заданного напора, когда необходимо сменить насос Н6, с целью равномерного износа двигателей. Насос Н8 является резервным, который вступает в работу в случае выхода из строя насоса Н6 или насоса Н7.

Управляемой координатой в данной установке является поддержание давления в заданных пределах. Текущее значение давления в напорной части водопровода поступает от датчика давления. В соответствии с поступившим значением давления контроллер дает задание на преобразователь частоты и подключает его к одному из трех насосов.

Наиболее широкое распространение получили установки с центробежными насосами.

В спиральном корпусе насоса помещается рабочее колесо с лопатками. При вращении колеса двигателем жидкость, поступающая к центру колеса из заборного резервуара через всасывающий трубопровод и открытую задвижку, центробежной силой выбрасывается по лопаткам на периферию корпуса. В результате в центре рабочего колеса создается разряжение, жидкость засасывается в насос, снова выбрасывается и далее подается в напорный трубопровод. Таким образом, в системе при открытой задвижке создается непрерывное течение, и центробежный насос имеет равномерный ход. Приведём принципиальную схему центробежного насоса на рисунке 1.2 с описанием работы механизма и указанием на нём основных элементов, участвующих в технологическом процессе.

Рисунок 1.2 — 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.

На рабочем колесе имеются лопатки (лопасти), которые имеют сложную форму. Жидкость подходит к рабочему колесу вдоль оси его вращения, затем направляется в межлопаточный канал и попадает в отвод. Отвод предназначен для сбора жидкости, выходящей из рабочего колеса, и преобразования кинетической энергии потока жидкости в потенциальную энергию, в частности в энергию давления. Указанное выше преобразование энергии должно происходить с минимальными гидравлическими потерями, что достигается специальной формой отвода.

Корпус насоса предназначен для соединения всех элементов насоса в энергетическую гидравлическую машину. Лопастный насос осуществляет преобразование энергии за счет динамического взаимодействия между потоком жидкой среды и лопастями вращающегося рабочего колеса, которое является их рабочим органом. При вращении рабочего колеса жидкая среда, находящаяся в межлопаточном канале, лопатками отбрасывается к периферии, выходит в отвод и далее в напорный трубопровод.

1.3 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу

Насосы являются механизмами с режимом длительной нагрузки с малым числом включений и большим количеством часов работы в году. Нагрузка на валу приводного двигателя спокойная, без перегрузок. Электропривод должен нормально функционировать в условиях повышенной влажности и относительно высоких температур, а также иметь максимально возможные показатели надежности. В этих условиях предпочтительным является применение асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором (АДКЗ), получающего питание от преобразователя частоты (ПЧ). АДКЗ отличается простотой, надежностью, отсутствием контактных соединений (щеток), дешевизной, а ПЧ позволяет добиться достаточно точного регулирования скорости АДКЗ, и конечно сбережения энергоресурсов.

Таким образом, можно сформулировать требования к электроприводу и системе автоматизации промышленной установки.

Автоматизированный электропривод должен обеспечивать:

? наиболее экономичный способ регулирования для снижения затрат на энергоресурсы;

? необходимый диапазон регулирования скорости;

? линейный закон изменения скорости во время пуска;

? торможение выбегом;

? климатическое исполнение УХЛ4;

? степень защиты IP44;

? в случае выхода из строя ПЧ перейти в режим нерегулируемого насоса (байпасный режим включения);

? включение резервного насоса при выведении из строя основного.

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1 Обзор систем электропривода, применяемых в промышленной установке

Обычно насосы подбирают по максимальному значению требуемой подачи. Однако в условиях эксплуатации объемную подачу и напор необходимо изменять. Фактическая подача определяется точкой пересечения характеристики полного давления насосов с характеристикой сети. Значит, изменить подачу можно в результате изменения характеристики нагнетателя или сети.

Под регулированием понимают такое изменение подачи (и других параметров работы) насоса, которое осуществляется с помощью специального регулирующего устройства (направляющего аппарата, гидрои электромуфты, дросселя-клапана и т. д.), позволяющего получать непрерывное изменение характеристик без останова машины.

Цель регулирования — приспособление параметров насосов к изменяющимся условиям его работы.

Все регулирующие устройства в зависимости от их влияния на характеристику или нагнетателя можно разделить на 2 группы:

— устройства, изменяющие характеристику сети, но не изменяющие характеристику насоса. К таким устройствам относятся клапаны, шиберы, задвижки, диафрагмы и т. д.

— устройства, изменяющие частоту вращения рабочего колеса (характеристику насоса). При этом характеристика сети не изменяется. Известно множество устройств, позволяющих изменять частоту вращения рабочего колеса: фрикционные передачи, гидромуфты, индукторные муфты скольжения, различные системы электропривода (ПЧИН-АДКЗР, ПЧИТ-АДКЗР, ТРН-АДКЗР, АВК и т. д.) и т. д.

Из первой группы рассмотрим один из самых распространенных способов регулирования — это регулирование производительности турбомеханизма с помощью задвижки. Из второй группы один из самых перспективных на сегодняшний день способ регулирования параметрами турбомеханизма — система электропривода ПЧИН-АДКЗР.

Дросселирование при n = const — самый неэкономичный, но весьма распространенный способ регулирования. Он заключается в искусственном введении в сеть дополнительного сопротивления в виде заслонки, дросселя-клапана или других подобных элементов. При этом сопротивление сети увеличится. Поскольку наибольшая подача достигается при полностью открытом состоянии задвижки, то такой способ регулирования применяется только с целью уменьшения подачи. Схема такого способа регулирования представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 — Схема регулирования насоса путем дросселерования При дросселировании уменьшается мощность на валу машины и вместе с тем повышается доля энергии, расходуемой при регулировании. Поэтому такой способ не экономичен. Чем более глубже осуществляется процесс регулирования, тем более непроизводительны затраты мощности.

Технология дроссельного регулирования давления (с помощью задвижек):

— неэкономична;

— требует постоянного контроля дежурным персоналом;

— допускает большие колебания давления и увеличивает вероятность аварий на трубопроводах,

— вызывает повышенный износ оборудования (насосов, задвижек, электродвигателей).

Рассмотрим способ регулирования, при котором изменяется частота вращения рабочего колеса. Этот способ регулирования наиболее экономичен, т.к. при уменьшении подачи вследствие снижения частоты вращения колеса потребляемая мощность снижается пропорционально третьей степени отношения частот вращения:

Этим способом можно также увеличивать подачу. Экономичность всей установки, т. е. нагнетателя с приводом, зависит от способа изменения частоты вращения колеса.

Изменение частоты вращения насоса приводит к изменению его характеристики, как это показано на рисунке 2.2. Здесь кривые 2 и 3 соответствуют пониженной частоте вращения. Из рисунка видно, что снижение частоты вращения насоса приводит к перемещению рабочей точки вдоль характеристики системы и существенному снижению расхода электроэнергии.

Рисунок 2.2 — Характеристики насоса и системы при регулировании частоты вращения На рисунке 2.3 представлен сравнительный график мощности, потребляемой насосом, в зависимости от расхода при регулировании дросселированием и частотном регулировании. Разность между значениями этими кривыми при заданном расходе позволяет определить экономию энергии при частотном регулировании по сравнению с регулированием дроссельной заслонкой.

Рисунок 2.3 — Зависимость потребляемой мощности от расхода при различных способах регулирования Как видно на предыдущем графике зависимостей, для достижения необходимого значения подачи необходимо рассчитывать на большие мощности лишь в том случае, когда используется способ регулирования задвижкой или же при номинальной мощности. Но для того, чтобы сберечь энергоресурсы, очевидно, необходимо использовать частотное регулирование.

2.2 Выбор рациональной системы электропривода

Электроприводы турбомеханизмов потребляют не менее 20−25% всей вырабатываемой электроэнергии и в большинстве случаев остаются нерегулируемыми, что не позволяет получить режим рационального энергопотребления и расхода воды при изменении технологических потребностей в широких пределах. Силовое оборудование выбирается на максимальную производительность, в действительности же его среднесуточная загруженность может составлять около 50% от номинальной мощности. Значительное снижение момента нагрузки при снижении скорости вращения приводного двигателя, характерное для рассматриваемых механизмов, обеспечивает существенную экономию электроэнергии (до 50%) при использовании регулируемого электропривода и позволяет создать принципиально новую технологию транспортировки воды, воздуха и т. д., обеспечивающую эффективное регулирование производительности агрегата. Кроме того, поддержание в системе минимально необходимого давления приводит к существенному уменьшению непроизводительных расходов транспортируемого продукта и снижению аварийности гидравлических сетей.

Невысокие требования к качеству регулирования давления и расхода обуславливают возможность применения наиболее простых и, следовательно, относительно недорогих преобразователей частоты, которые являются наиболее удобными с точки зрения проектирования и наладки. Положительным моментом является также то, что преобразователь частоты может быть легко внедрен в уже существующую установку без какой-либо реконструкции системы в целом. Сочетание высокой экономичности регулирования и относительно низкой стоимости оборудования обеспечивает минимальный срок его окупаемости (6−12 месяцев).

В целом применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода в насосных установках дает следующие преимущества:

— экономия электроэнергии (до 50%);

— экономия транспортируемого продукта за счет снижения непроизводительных расходов (до 25%);

— снижение аварийности гидравлической или пневматической сети за счет поддержания минимально необходимого давления;

— снижение аварийности сети и самого агрегата за счет возможности применения плавного пуска;

— повышение надежности и снижение аварийности электрооборудования за счет устранения ударных пусковых токов;

— снижение уровня шума, создаваемого установкой;

— удобство автоматизации;

— удобство и простота внедрения.

Учитывая плюсы частотного регулирования в качестве приводного двигателя насосной установки будем использовать асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, а питание двигателя осуществлять от преобразователя частоты.

2.3 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода

Следует учитывать, что согласно конструктивному исполнению насосная станция для подъёма питьевой воды содержит четыре электропривода, соединенных параллельно, три из них работают от одного преобразователя частоты.

На основании принятых решений о системе электропривода и реализации ее управления можно построить функциональную схему автоматизированного электропривода, представленную на рисунке 2.4:

Рисунок 2.4 — Функциональная схема автоматизированного электропривода

На рисунке 2.4 приняты следующие обозначения:

L — входной дроссель;

С — сглаживающий фильтр;

НВ — неуправляемый выпрямитель;

АИН — автономный инвертор напряжения;

АД — асинхронный двигатель;

Н6, Н7, Н8, Н9 — насосы на соответствующих позициях;

СУ АИН — система управления инвертором;

ПЧ — преобразователь частоты;

ПЛК — программируемый логический контроллер;

ЭВМ — персональная электронная вычислительная машина.

3. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

На данном этапе выбор электродвигателя ограничен выбором насоса, т. к. в первую очередь необходимо ориентироваться на потребности завода по расходу воды. Поэтому необходимо проанализировать кинематическую схему механизма и определить её параметры.

3.1 Анализ кинематической схемы механизма и определение ее параметров. Составление математической модели механической части электропривода и определение ее параметров

Согласно требованиям по расходу питьевой воды необходимо выбрать насос производительностью не менее необходимого значения из следующих условий:

(3.1)

Так, в течении суток по заводу расход колеблется от 190 до 300 м³/ч. Таким образом, выбираем насос серии 1Д-315−71а с производительностью 300 м³/ч. Насосы типа 1Д — центробежные, горизонтальные, одноступенчатые. Данные типы насосов комплектуются асинхронными электродвигателями мощностью до 90 кВт.

Технические характеристики данного насоса приведены в виде таблицы 3.1:

Таблица 3.1 — Параметры насоса типа 1Д-315−71а

Горизонтальный насос двухстороннего входа 1Д 315−71 получил свое название от разъема корпуса в горизонтальной плоскости. Удобное расположение входящего и выходящего патрубка в нижней части корпуса насоса позволяет с легкостью проводить ревизию и ремонт рабочих органов (ротор в сборе) не отсоединяя насос от трубопровода. Насос применяются для перекачивания чистых и технических вод с содержанием взвеси и абразивных частиц. Насос Д нашел широкое применение на насосных станциях в рудо и горнодобывающей промышленности, в сельском хозяйстве, а также на угольных промывочных установках, электростанциях, теплоэлектроцентралях, гидроэлектростанциях, одним словом насос Д применяются там, где надо перекачивать большие объемы жидкости.

Схема обозначения насоса — 1Д-315−71a, где:

1 — первая модернизация;

Д — двустороннего входа;

315 — номинальная подача, м³/ч;

71 — номинальный напор, м;

б — подрезка рабочего колеса.

Характеристика насоса приведена на рисунке 3.1:

Рисунок 3.1 — Характеристика насоса типа 1Д-315−71а

По рекомендациям производителя, для привода насосных агрегатов используются электродвигатели общепромышленного исполнения и в качестве примера указывают применение электродвигателя АИР250М2. Существует более новейшая разработка — 5АМ250М2, являющаяся аналогом данного двигателя. В отличие от старого исполнения, двигатель имеет лучшие коэффициенты отношения пусковых моментов и тока к номинальным значениям, а также лучший показатель коэффициента мощности, однако имея при этом больший динамический момент инерции. Предварительно при кинематических расчётах будем использовать именно его. Кинематическая схема электропривода представлена на рисунке 3.2:

Рисунок 3.2 — Кинематическая схема электропривода

На рисунке приняты следующие обозначения:

1 — Асинхронный электродвигатель;

2 — Муфта;

3 — Насос.

Тогда одномассовую модель электропривода можно представить в следующем виде (рисунок 3.3):

Рисунок 3.3 — Одномассовая модель электропривода

Для создания механического соединения между насосом и электродвигателем будем использовать упругую втулочно-пальцевую муфту. Выберем её по максимальному моменту, развиваемым электроприводом, согласно следующему расчёту:

(3.2)

(3.3)

Определим номинальный момент ЭД по формуле:

(3.4)

Номинальная угловая скорость:

; (3.5)

Тогда согласно формуле (3.3):

Таким образом выбираем из каталога муфту упругую втулочно-пальцевую типа МУВП 500 с номинальным вращающим моментом Нм и скоростью вращения об/мин. Для данных параметров каталог также рекомендует выбирать эту муфту, что доказывает правильность расчёта.

Т. к. момент инерции носит по большей части информативный характер, нежели является основной частью всего момента инерции механизма, опустим его.

Суммарный момент инерции электропривода определяется следующим выражением:

. (3.6)

Если момент инерции электропривода известен, а возможности прямого доступа к рабочему колесу насоса нет, то момент инерции турбомеханизма определим приблизительно, суммой двух вращающихся дисков, и лопаток между ними. Значит:

Момент инерции диска рабочего колеса определяется по следующей формуле:

(3.7)

где — плотность стали, ;

— радиус рабочего колеса, руководствуясь габаритами установки,;

— площадь диска,

; (3.8)

— толщина диска, .

Определим момент инерции диска рабочего колеса:

Момент инерции одной лопатки рабочего колеса определяется как:

(3.9)

где — плотность стали;

— длина лопатки рабочего колеса, исходя из габаритов установки, ;

— ширина лопатки рабочего колеса, исходя из габаритов установки, ;

— площадь лопатки, ;

— толщина лопатки, .

Определим момент инерции одной лопатки рабочего колеса:

Момент инерции турбомеханизма:

.

Суммарный момент инерции согласно (3.6):

Математическую модель асинхронного двигателя представим в виде структурной схемы, изображённой на рисунке 3.4:

Рисунок 3.4 — Математическая модель асинхронного электродвигателя

На рисунке, W_D — передаточная функция асинхронного двигателя.

3.2 Расчет нагрузок, построение механической характеристики М_мех = f(щ) и нагрузочной диаграммы механизма М_мех = f(t)

Построим механическую характеристику используя пример расчёта одной точки — для скорости щ = 165 рад/с. Напор турбомеханизма можно определить согласно следующему выражению:

(3.10)

Сначала определим расход, определяемый скоростью нашей точки из следующего соотношения:

(3.11)

Теперь можно определить рабочий напор на данной скорости:

Получим мощность механизма на этом участке скорости

(3.12)

И для определения момента, необходимо воспользоваться следующим выражением:

(3.13)

Построим технологические характеристики насосного агрегата. Расчеты точек приведём в виде таблицы 3.2. Расчёты и характеристика производились в среде Microsoft Office Excell 2007.

Таблица 3.2 — Расчет механической характеристики

Ниже, на рисунке 3.5 приведена рабочая характеристика М (щ) механизма, отражающая расчёт приведённых данных из таблицы 3,2:

Рисунок 3.5 — Рабочая характеристика насоса типа 1Д-315−71а в виде зависимости М = f(щ)

Для построения нагрузочной диаграммы механизма приведём график расхода воды в течении суток (рисунок 3.6):

Рисунок 3.6 — Суточный график расхода воды

Определение момента механизма будет производиться таким же образом, как и при анализе механической характеристики за исключением, того, что осью абсцисс является ряд значений по времени. Приведём таблицу 3.3 рассчитанных значений:

Таблица 3.3 — Результаты расчета момента механизма при регулировании расхода насоса с помощью системы ПЧИН-АДКЗР

На основании данных таблицы, нагрузочная диаграмма механизма М_мех = f(t) будет выглядеть следующим образом (рисунок 3.7):

Рисунок 3.7 — Нагрузочная диаграмма механизма М = f(t)

3.3 Предварительный выбор двигателя по мощности

Производитель данных насосов рекомендует использовать в качестве привода насоса электродвигатели серии 5А, 5АИ, АИР и для насоса 1Д-315−71а необходим электродвигатель мощностью порядка 90 кВт. Однако в качестве учебных целей и проверки достоверности данной информации, рассчитаем требуемую мощность электродвигателя.

Мощность электродвигателя для насоса определяется по формуле:

(3.14)

где

k_з — коэффициент запаса, принимаемый 1,1−1,3 в зависимости от мощности электродвигателя. Примем k_з = 1,2;

?_нас — КПД насоса;

?_п — КПД передачи. Т.к. у нас вал АД соединен жестко с валом насоса с помощью муфты, то ?_п = 1.

Подставим данные в (3.14) и рассчитаем требуемую расчетную мощность электродвигателя:

3.4 Выбор номинальной скорости и типоразмера двигателя. Построение характеристики М_доп = f(щ), где щ_мин? щ? щ_макс

Выбор электродвигателя будем осуществлять по условию:

(3.15)

В соответствии со стандартным рядом мощностей электродвигателей, ближайшей мощностью к рассчитанной в пункте 3.3, является мощность 90 кВт, что собственно и подтверждает расчеты производителя насосов. Учитывая, что данный насос рассчитан на номинальную частоту вращения 2900 об/мин (таблица 3.1), из [3], выбираем электродвигатель 5АМ250М2, со степенью защиты IP54. Параметры электродвигателя 5АМ250М2 приведены в таблице3.4:

Таблица 3.4 — Параметры электродвигателя типа 5АМ250М2

Допустимый по условиям нагрева момент регулируемого самовентилируемого асинхронного электродвигателя рассчитывается, исходя из уравнения теплового равновесия для данной угловой скорости щ и может быть найден по следующей формуле, которую можно получить после ряда преобразований уравнения теплового равновесия:

(3.16)

где

м_доп? допустимый момент в относительных единицах;

? относительная частота, а f_1ном = 50 Гц — текущая частота;

? коэффициенты, определяемые по следующим выражениям:

где

в_o? коэффициент охлаждения при щ = 0, обычно для закрытых АД исполнения IP44-IP54 в_o ? 0,5;

ДP_ном? номинальные потери АД, определяемые как:

(3.18)

Р_ном, ?_ном? номинальная мощность и номинальный КПД электродвигателя;

ДP_{м ном}? потери в обмотке статора от тока намагничивания, которые рассчитываются по формуле:

(3.19)

(3.20)

R₁? активное сопротивление обмотки статора;

I_{1 ном}? номинальный фазный ток статора;

ДP_{пер. ном.}? переменные потери мощности 3-фазного АД, вычисляемые по формуле [4]:

(3.21)

k_з,m? коэффициент, соответствующий максимальному к.п.д. АД;

ДP_ст.ном.? номинальные потери в стали, которые можно принять равными:

(3.22)

ДP_мх.ном.? номинальные механические потери, которые можно принят равными:

(3.23)

Рассчитаем все необходимые потери. Подставим данные в (3.18) и найдем номинальные потери АД:

При k_{з, т.} = 0,9, подставив значения в (3.21) получим:

Подставив значение ДP_ном в формулы (3.22) и (3.23) найдем потери в стали и номинальные механические потери:

Подставив значения в (3.20) получим:

Для того чтобы найти ДP_м, сперва необходимо найти активное сопротивление статора R₁, которое определим используя методику, приведенную в методическом пособии [4], с помощью следующих формул:

де S_ном? номинальное скольжение;

? переменные номинальные потери мощности в обмотках статора;

? переменные номинальные потери мощности в роторе;

М₀? момент холостого хода;

М_{э. ном.}? электромагнитный номинальный момент.

Подставим полученные значения в (3.19) и найдем ДP_{м ном}:

Подставим полученные значения в (3.17) и определим коэффициенты:

В связи с тем, что определение коэффициентов в уравнении теплового равновесия связано с параметрами, которые не всегда точно известны, для непротиворечивых результатов решения уравнения относительно м необходимо проверить условие для номинального режима при и₀ = +40єС, т. е. при м = 1 и б = 1 необходимо, чтобы соблюдалось равенство:

(3.25)

из которого целесообразно найти:

(3.26)

при уже известных коэффициентах .

Подставив полученные коэффициенты в формулу (3.13) получим выражение, для нахождения допустимого момента электродвигателя в диапазоне работы.

(3.27)

С помощью программы Microsoft Office Excel 2007 рассчитаем и построим график зависимости допустимого момента от угловой скорости в относительных единицах. Расчеты зависимости допустимого момента от угловой скорости и график представлены в таблице 3.5 и на рисунке 3.8 соответственно.

Таблица 3.5 — Расчет зависимости допустимого момента от угловой скорости в относительных единицах

В связи с тем, что статический момент насосной установки зависит от скорости, то с уменьшением скорости будет уменьшаться статический момент и соответственно повышается допустимый по условиям нагрева момент (рисунок 3.8). Расчетная зависимость м_доп = f(б) подтверждает это.

Рисунок 3.8 — Зависимость относительного допустимого момента м_доп от относительной частоты б

3.5 Построение нагрузочной диаграммы электропривода M = f (t) за цикл работы

Нагрузочная диаграмма электропривода представляет собой зависимость электромагнитного момента от времени. Рассматриваемая установка работает в длительном режиме без каких-либо изменений нагрузки в течении длительного времени. И изменяется лишь трижды при (Q = 200, м³/c; Q = 250, м³/c и Q = 280, м³/c), каждый раз при этом имея разные значения электромагнитного момента, что видно из приведённой диаграммы на рисунке 3.3. Таким образом, проанализировав полученные данные, изобразим нагрузочную диаграмму в следующем виде (рисунок 3.9):

Рисунок 3.9 — Нагрузочная диаграмма электропривода насоса подачи воды на предприятие МНПЗ

_3.6 Проверка выбранного электродвигателя по нагреву и перегрузочной способности

Специфика работы электродвигателей в данном режиме насосной установки такова:

1. Электродвигатели работают с длительной постоянной нагрузкой с постоянным рабочим моментом, меньше номинального;

2. Пуск турбомеханизма осуществляется по линейному закону, вследствие чего пусковой момент М_п не превышает номинальный М_н.

В нормальном режиме работы электродвигатель насоса питается от управляемого преобразователя частоты, но в аварийных режимах двигатель питается от сети переменного тока, минуя преобразователь, так называемый режим «bypass». Поэтому необходимо произвести проверку электродвигателя по условиям прямого пуска.

Согласно проведённому анализу кинематической используем данные полученные при этом расчёте, а именно суммарный момент инерции:

Найдем средний статический момент:

. (3.28)

Найдем пусковой момент:

. (3.29)

Динамический момент равен:

(3.30)

Температура окружающей среды:

.

Начальная температура:

(3.31)

Найдем время пуска двигателя:

. (3.32)

Из справочника берем значение скорости нагрева двигателя, имеющего аналогичные технические параметры, однако серии 4А:

.

Таким образом температура двигателя при прямом пуске:

. (3.33)

Таким образом, температура двигателя при прямом пуске, равная не превышает допустимую температуру для данного класса изоляции двигателя F, которая равна. Следовательно, выбранный двигатель типа 5АМ250М2 может обеспечить прямой пуск установки из нагретого состояния с допустимой температурой обмоток.

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

4.1 Определение возможных вариантов и обоснование выбора вида преобразователя электрической энергии

На данном этапе развития промышленных технологий, большое количество производственных механизмов нуждается в модернизации и обновлении. Поэтому неудивительно что, компании, выпускающие различные электроприборы, управляющие устройства, а в частности и преобразователи частоты заинтересованы в сотрудничестве с таким производством. Именно поэтому существует целый ряд фирм-производителей, которые готовы предоставить выбор данных преобразователей на любые мощности электродвигателей.

Однако, за исключением некоторых специальных возможностей, требующихся в достаточно узком круге применения, преобразователи отличаются главным образом конструктивным исполнением.

Таким образом, при выборе преобразователя частоты будем полагаться на многолетний опыт компании в сфере производства приводов, обеспечивающие его качество и надёжность. Также стоит обратить внимание на достаточную широту номенклатуры для беспрепятственного выбора преобразователя по мощности управляемого двигателя.

Проанализировав рынок производителей управляющего оборудования, было принято решение выбрать преобразователь частоты зарубежного производства. Отечественные производители преобразователей частоты очень сильно уступают в качестве, надежности и производительности.

Так, выбор был сделан на трёх компаниях, удовлетворяющих таким компонентам, как качество и надёжность, а также предлагающие большой ряд мощностей на выбор. Это — ABB, Deltа и Siemens.

Опишем основные преимущества и недостатки выбранных преобразователей:

ABB — один из ведущих мировых производителей приводов переменного тока. Шведско-швейцарская компания зарекомендовала себя, как производитель высококачественных преобразователей. Существенным недостатком является цена данных приводов.

Delta — относительно молодая тайваньская компания, преобразователи частоты которого, относительно недорогие, уступают по качеству мировым лидерам, хотя в нашей стране они нашли широкое применение. Однако хорошим показателем послужит опыт использования оборудования в мировом масштабе и на продолжительном промежутке времени, которого у молодой компании как раз-таки нет.

Siemens — как заявляет производитель, а также многочисленные отзывы пользователей данных преобразователей, в качестве вышеперечисленным компаниям не уступают. Более того, цена приводов одной номенклатуры мощности ниже, чем у шведско-швейцарского производителя. Компания давно себя зарекомендовала на рынке, что говорит о её опыте на международной арене. Они предназначены для установки в промышленные системы отопления и кондиционирования, ленточные транспортеры и насосы. Основываясь на вышеизложенном, останавливаемся на выборе частотного преобразователя фирмы Siemens.

Из выбираем преобразователь частоты типа MicroMaster 430 6SE6430−2UD38−8FA0.

Основные технические параметры представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 — Технические параметры преобразователя частоты типа Siemens MicroMaster 430 6SE6430−2UD38−8FA0

Частотный преобразователь MICROMASTER 430 применяется в составе силовых приводов систем отопления, водоснабжения, вентиляции. Её применение оправдано в системах кондиционирования воздуха и создания микроклимата. Данные привода могут применяться для оптимального регулирования скорости электродвигателей при поддержании силовых параметров на должном уровне.

По сравнению с частотными преобразователями серии Micromaster 420 в данных преобразователях увеличено количество входов и выходов. По желанию заказчика инверторы Siemens Micromaster 430 могут поставляться с базовой панелью оператора с возможностью выбора режима работы — ручного или автоматического. Программное обеспечение преобразователей адаптировано для управления промышленным вентиляционным и насосным оборудованием. Приведём некоторые из достоинств данного частотного преобразователя перед другими:

— автоматический повторный запуск при пропадании сети или нарушениях режима работы;

— чтобы предотвратить преждевременный выход из эксплуатации, имеется встроенная функция оценки и измерения изменений подачи давления. Это не даёт преобразователю работать в сухую, что значительно продлевает срок его работы;

— чтобы уберечь трубопроводную систему от повреждений, частотный преобразователь способен плавно и постепенно распределять воду, исключая резкие толчки и удары;

— обеспечивает безопасную работу системы водоснабжения. При возникновении повреждений или протеканий, частотный преобразователь останавливает работу насоса и подаёт звуковой сигнал тревоги.

4.2 Расчет параметров и выбор электрических аппаратов силовой цепи: входного и выходного фильтров, тормозного резистора

Для обеспечения надежной и грамотной эксплуатации преобразователя в составе с ним должно применяться различное дополнительное оборудование.

В выбранном преобразователе частоты, на внешней панели имеются выходные клеммы, для подсоединения к ним, при необходимости, тормозного резистора. Однако, учитывая тот факт, что в насосных установках торможение электродвигателей осуществляется за счет свободного выбега, чтобы не создавать в трубопроводе избыточное давление и гидравлические удары, в нашей установке устанавливать тормозной резистор нет необходимости, более того использование тормозного резистора в нашей системе будет негативно сказываться на состояние трубопровода.

Для силовой цепи необходимо вычислить входную ёмкость С-фильтра, потому как данная серия преобразователей ими не комплектуется.

Ток, протекающий по силовой цепи, описывается уравнением:

(4.1)

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

(4.2)

Ток вычисляется по формуле:

(4.3)

где U_1H = 220 B; I_1H = 157 A;

Cosц = 0,93.

Подставляя значения в формулу (4.3), получим:

. (4.4)

Ёмкость вычисляем по формуле:

(4.5)

(4.6)

Подставляя значения в формулу (4.5), получим:

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

5.1 Выбор датчиков для измерения управляемых координат электропривода

Регулируемой координатой в нашей системе является давление, поэтому необходимо выбрать датчик этого параметра, предназначенный для преобразования значения абсолютного давления в электрический выходной сигнал. Выбор датчика осуществляется по значению давления.

В качестве датчика обратной связи по давлению выбираем датчик производителя BD Sensors серии DS201, основные технические данные которого приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 — Основные технические данные датчика давления типа BD Sensors DS201

Датчик подходит для работы в вязкой пастообразной агрессивной и загрязненных средах. Прибор может работать в качестве пикового детектора. Конструкция индикатора позволяет повернуть дисплей в удобное для наблюдателя положение в зависимости от положения установки датчика.

Преимущества и особенности датчика давления DS200

— Индивидуальная настройка диапазона по требованию заказчика. Например, −1…−4 бар

— Светодиодный дисплей: 7-сегментный, 4-х разрядный, вращаемый дисплей и корпус

— Один, два или четыре релейных выхода, простота конфигурирования, оконный режим или режим гистерезиса, время задержки вкл/выкл

— Удобный контроль, программное исполнение функций: программной блокировки, конфигурирования дисплея.

5.2 Составление математических моделей (уравнений, структурных схем) объекта управления, датчиков и исполнительного устройства

Структурную схему, отражающую динамические своиства электропривода турбомеханизмов можно взять из источника и риведём её на рисунке

Это нелинейная система, которую можно использовать при имитационном моделировании. Линеаризуем эту систему для синтеза регулятора W_p, приняв передаточную функцию АД в виде^

(5.1)

а статический момент М_с линейно зависящий от скорости

(5.2)

где

(5.3)

(5.4)

(5.5)

(5.6)

(5.7)

Изобразим на рисунке 5.1 структурную схему электропривода при стабилизации напора в рабочем диапазоне частот:

Рисунок 5.1 — Структурная схема электропривода при стабилизации напора в рабочем диапазоне частот

W_p — передаточная функция регулятора;

W_D — передаточная функция АД;

в — модуль жесткости механической характеристики АД при данном статическом моменте;

в_с — модуль жесткости механической характеристики турбомеханизма;

S_к.е — критическое скольжение на естественной механической характеристике АД;

T_э — электромагнитная постоянная времени АД.

В результате получаем линеаризованную структурную схему, приведенную на рисунке 5.2, где

(5.8)

H₁ — напор турбомеханизма при Q = 0 и данной скорости щ.

Рисунок 5.2 — Линеаризованная структурная схема электропривода при стабилизации напора в рабочем диапазоне

Структурную схему на рисунке 5.2 можно преобразовать к более удобному виду (рисунок 5.3).

Рисунок 5.3 — Преобразованная линеаризованная структурная схема электропривода

Для структурной схемы рисунок 5.4, полученной из рисунка 5.3, рассмотрим передаточную функцию от возмущающего воздействия Q^'_L:

Рисунок 5.4 — Окончательный вид линеаризованной структурной схемы Следующие уравнения описывают приведённую выше, линеаризованную структурную схему:

при H_з (р) = 0, (5.9)

где

(5.10)

(5.11)

(5.12)

Обычно в электроприводе турбомеханизма предусматривается ПИ-регулятор давления с передаточной функцией:

(5.13)

Подставляем (5.13) в (5.10) и с учетом (5.11) находим:

(5.14)

где

(5.15)

(5.16)

Тогда

(5.17)

Где

(5.18)

Постоянную интегрирования Т_и регулятора давления принимаем равной:

(5.19)

(5.20)

(5.21)

Коэффициент усиления регулятора давления находим из следующего условия:

(5.22)

Откуда станет известно:

(5.23)

5.3 Расчет параметров объекта управления, датчиков и исполнительного устройства

Объектом управления является асинхронный двигатель. Линеаризованная структурная схема асинхронного двигателя представлена на рисунке 5.5:

Рисунок 5.5 — Линеаризованная структурная схема асинхронного двигателя

Необходимо рассчитать основные параметры эквивалентной схемы замещения двигателя, это уже было сделано в третьей главе настоящего дипломного проекта, поэтому продублируем результаты данного расчёта:

Номинальное скольжение:

(5.24)

Номинальная угловая скорость:

(5.25)

Синхронная угловая скорость:

(5.26)

Номинальные потери мощности:

(5.27)

Принимаем:

(5.28)

(5.29)

Момент холостого хода:

(5.30)

Электромагнитный номинальный момент:

(5.31)

Переменные номинальные потери мощности в роторе:

(5.32)

Задаемся коэффициентом загрузки k_з,m, соответствующим максимальному к.п.д. АД:

k_{з, m} = 0,5 — 1,0.

Переменные номинальные потери мощности при k_з,m = 0,9:

(5.33)

Постоянные потери мощности:

(5.34)

Переменные номинальные потери мощности в обмотках статора:

(5.35)

Активное сопротивление обмотки статора:

(5.36)

Максимальное значение электромагнитного момента:

(5.37)

Коэффициент:

(5.38)

Сопротивление:

(5.39)

Приведенное активное сопротивление фазы ротора:

(5.40)

Индуктивное сопротивление короткого замыкания:

(5.41)

Критическое скольжение:

(5.42)

Коэффициент a:

(5.43)

Рассчитывает электромагнитный момент АД по формуле Клосса для найденных параметров и скольжения S = S_ном:

(5.44)

Сравниваем М_э.ном, рассчитанный по формуле (5.30), с М (S_ном). Если погрешность Дm превышает допустимую (обычно 5−10%), то корректируем k_{з, m} и М_{0 ,} а затем повторяем расчет до получения требуемой погрешности.

(5.45)

Погрешность Дm не выходит за допустимые пределы, следовательно перерасчет производить не надо.

Принимаем:

(5.46)

Ток холостого хода:

(5.47)

Эквивалентное сопротивление намагничивающего контура:

(5.48)

Синус ₀ холостого хода

(5.49)

Индуктивное сопротивление намагничивающего контура:

(5.50)

Определив значения сопротивлений, рассчитываем значения индуктивностей:

Гн, (5.51)

Гн, (5.52)

Гн. (5.53)

Индуктивности рассеивания статора и ротора:

(5.54)

(5.55)

Рассчитаем эквивалентные сопротивления, индуктивности цепи статора и эквивалентную постоянную времени статора.

Эквивалентная индуктивность цепи статора:

Гн. (5.56)

Эквивалентное сопротивление цепи статора:

(5.57)

Электромагнитная постоянная времени статора:

. (5.58)

Электромагнитная постоянная времени ротора:

(5.59)

Модуль жесткости механической характеристики:

(5.60)

где М_к — критический момент, определяемый по формуле:

Тогда передаточная функция асинхронного двигателя примет вид:

5.4 Проектирование регуляторов на основании разработанных математических моделей и требований к автоматизированному электроприводу

Учитывая, что насосная установка работает с постоянной нагрузкой, применим в нашей системе скалярное частотное управление по закону ш₁ = const с IR компенсацией.

При скалярном частотном управлении скорость АД регулируется за счет изменения частоты и амплитуды напряжения. Все законы скалярного управления обеспечивают достижение требуемых статических характеристик и используются в электроприводе со «спокойной» нагрузкой.

Функциональная схема такого частотного управления может быть представлена в следующем виде (рисунок 5.6):

Рисунок 5.6 — Функциональная схема асинхронного электропривода при частотном управлении по закону ш₁ = const с IR компенсацией

На схеме введены следующие обозначения:

ЗИ — задатчик интенсивности;

РЧ — регулятор частоты;

РН — регулятор напряжения;

ПЧ — преобразователь частоты;

АД — асинхронный двигатель типа 5АМ250М2;

ДТ — датчик тока;