Разработка систем регулирования и оптимизация режимов насосных установок ОАО СЛДК

Министерство образования Российской Федерации

Архангельский государственный технический университет Факультет промышленной энергетики

Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Разработка систем регулирования и оптимизация режимов работы Насосных установок ОАО СЛДК

Пояснительная записка

0165.09.ДР.127.014.ПЗ Студент Уткина Е.А.

Руководитель проекта Емельянов В.П.

Архангельск 2009 г.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ К ПРОЕКТУ

1. Технические денные по насосным установкам

2. Технические денные технологического процесса

3. Технические денные частотных преобразователей Перечень подлежащих разработке в дипломном проекте вопросов

1. Обосновать целесообразность реконструкции насосных установок

2. Определить мощность электродвигателей насосов

3. Выбрать систему регулирования электропривода центробежного насоса

4. Рассчитать характеристики насосных установок при регулировании частоты вращения

5. Рассчитать экономическую эффективность установки частотных преобразователей

Перечень графического материала:

1. Функциональная схема регулирования насосной установкой

2. Функциональная схема частотного преобразователя

3. Плакат по характеристикам приводов

4. Плакат по расчету экономической эффективности Рекомендуемая литература

1. Москаленко В. В. Автоматизированный электропривод

2. Чиликин М. Г., Сандлер А. С. Общий курс электропривода

3. Капунцов Ю. Д., Елисеев В. А. Электрооборудование и электропривод промышленных установок РЕФЕРАТ Разработка систем регулирования и оптимизация режимов работы насосных установок АО СЛДК Стр. 98, рис. 47, табл. 34, прил. 2, библ. назв. 13.

В дипломной работе рассмотрены системы регулируемых электроприводов, приведено обоснование выбора тиристорного преобразователя частоты и асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в качестве приводной системы для центробежных насосов. Приведен расчет механических характеристик двигателя при частотном регулировании скорости вращения. Рассчитана экономическая эффективность от внедрения тиристорного преобразователя частоты.

водоснабжение, насос центробежный, электропривод регулируемый, асинхронный короткозамкнутый двигатель, тиристорный преобразователь частоты, характеристики механические

• ОГЛАВЛЕНИЕ
• Введение
• 1. Обоснование целосообразности установки регулируемого электропривода на насосных установках АО СЛДК
• 1.1 Насосные установки АО СЛДК
• 1.2 Конструкция насосных установок. Режимы работы
• 2. Определение мощности двигателя насосной установки
• 2.1 Определение мощности, потребляемой насосным агрегатом ТП промплощадки № 2
• 2.2 Определение мощности, потребляемой насосным агрегатом на станции водозабора
• 3. Выбор системы регулирования электропривода центробежного насоса
• 3.1 Системы регулируемого электропривода ЦН, особенности преимущества, недостатки
• 3.2 Выбор регулируемой приводной системы ЦН
• 4. Стабилизация напора в системе подачи воды
• 5. Расчет характеристики насосной установки при регулировании частоты вращения
• 6. Расчет экономической эффективности установки ТЧП
• 6.1 Оценка экономической эффективности установки преобразователя частоты для электродвигателя насоса на ТП № 2
• 6.2 Оценка экономической эффективности установки преобразователя частоты для электродвигателя насоса на водозаборной станции
• Заключение
• Литература
• Приложение А
• Приложение Б

По статистическим данным приблизительно 1/5 части электроэнергии, вырабатываемой в России, потребляется приводами центробежных насосов, используемых в различных отраслях народного хозяйства.

Центробежные механизмы для подачи жидкостей и газов (вентиляторы насосы нагнетатели, компрессоры) являются основными общепромышленными механизмами, обладающие наибольшими потенциальными возможностями для значительного сокращения расхода электроэнергии. Особое положение центробежных механизмов объясняется их массовостью, большой мощностью, как правило, длительным режимом работы. Указанные обстоятельства определяют значительный удельный вес этих механизмов в энергетическом балансе.

Электроэнергия, потребляемая насосными агрегатами, зачастую расходуется нерационально.

Во-первых, это связано с неправильным выбором насосов. Часто насосные установки в системах оказываются с завышенными характеристиками по давлению или расходу. И эксплуатация системы без постоянно прикрытой задвижки на выходе невозможна, так как вероятны разрывы трубопроводов. На этой задвижке постоянно впустую рассеивается энергия.

Во-вторых, это связано с неравномерным потреблением воды в течение суток. При правильном выборе насосного агрегата его расходная характеристика и мощность электродвигателя рассчитаны на обеспечение необходимого давления в системе при максимальном потреблении воды. Если потребление воды меньше максимального, давление в системе возрастает и требуется прикрывать ту же задвижку. А это требует постоянного дежурства около нее и сопровождается потерями электроэнергии.

Таким образом, технология дроссельного регулирования давления (с помощью задвижек):

— неэкономична;

— требует постоянного контроля дежурным персоналом;

— допускает большие колебания давления и увеличения вероятности аварий на трубопроводах;

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

Более рациональные режимы работы обеспечиваются путем регулирования электроприводов насосных установок. Применение систем автоматического регулирования на базе частотно-регулируемых электроприводов в системах водоснабжения, прежде всего, позволяет существенно снизить потребление электроэнергии электроприводами насосов, так как избыточный напор при этом не создается. Давление поддерживается постоянным за счет регулирования частоты вращения электродвигателя насоса.

Целью дипломной работы является описание возможных способов регулирования частоты вращения двигателей насосных установок АО СЛДК, и выбор наиболее оптимального способа регулирования.

Задачей работы является расчет механических характеристик электродвигателя, на которых осуществляется регулирование, а также для сравнения рассчитаны характеристики электродвигателя в нерегулируемом режиме. Для наглядности приведены графики этих зависимостей.

В работе производится расчет экономической эффективности от внедрения регулируемых электроприводов на станции водозабора (система пожаротушения) и на тепловом пункте промплощадки № 2 АО СЛДК.

Описываются необходимые меры по охране труда при установке и эксплуатации данных электроприводов.

1. ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ УСТАНОВКИ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА НАСОСНЫХ УСТАНОВКАХ АО СЛДК

1.1 Насосные установки АО СЛДК

На АО СЛДК насосные установки, где имеет смысл для усовершенствования технологического процесса ввести систему регулирования, имеются на тепловом пункте промплощадки № 1, на тепловом пункте промплощадки № 2, также применяются в системе пожаротушения промплощадки № 1 и на водозаборе промплощадки № 2 в системе пожаротушения. На промплощадке № 1 установлено два насоса, там уже установлен частотный регулятор, который поддерживает постоянное давление на выходе из насосов (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 Упрощенная схема системы отопления промплощадки № 2 АО СЛДК В системе пожаротушения для регулирования давления воды на выходе из насосов установлено два манометра (рисунок 1.2) на входе и на выходе насосов. Насос работает в зависимости от напора воды на входе в насос, обычно он примерно 1 кг, но может доходить и до 3,5 — 4 кг, в этом случае нет смысла в работе насоса (он дает на выходе 4 кг) и его отключают. В случаях большой потребности в воде (сильный пожар), когда насосы не могут полностью обеспечить ею, вода также поступает с СЦБК.

Рисунок 1.2 Упрощенная схема системы пожаротушения промплощадки № 1 АО СЛДК: 1 — 4 — потребители.

В двух рассмотренных случаях система регулирования уже существует.

На станции водозабора имеется три типа насосов (по два насоса каждого типа). Причем два типа используются при пожарах, а третий — наименее мощный — используется постоянно. Для него можно рассмотреть целесообразность установки частотного преобразователя.

На тепловом пункте промплощадки № 2 (рисунок 1.3) установлено три насоса. Два мощных, рассчитанных на нагрузку в зимний период, они работают поочередно, один постоянно находится в резерве. А третий установлен прошлой осенью, с целью нести нагрузку в летние месяцы, то есть в работе он еще не был. Здесь тоже имеет смысл рассмотреть установку частотного преобразователя, может быть даже с целью сокращения числа насосов на этом тепловом пункте.

Рисунок 1.3 Упрощенная схема системы отопления промплощадки № 2 АО СЛДК.

К регулировочному клапану присоединен блок управления, который в зависимости от температуры окружающей среды изменяет значение температуры в первичном контуре (подробнее смотри пункт 1.2.1). Таким образом, не происходит перегрев зданий, и уменьшается расход энергии.

1.2 Конструкция насосных установок. Режимы работы

1.2.1 Конструкция насосной установки теплового пункта промплощадки № 2

Насосная установка размещена на тепловом пункте промплощадки № 2 на территории АО СЛДК и используется для подкачки горячей воды на технические и противопожарные нужды. Постоянно работает только один насос.

Второй насос включается только в случае пожара дежурным персоналом в ручном режиме.

Третий насос рассчитан на всю летнюю нагрузку и должен работать в летнее время.

Технические данные насоса:

Технические данные технологического процесса:

Давление на подводящем трубопроводе, кг/см²: 1 кг/см²;

Наибольшая требуемая подача Q_max, м³/час: 200 м³/час;

Давление на отводящем трубопроводе, кг/см²: 3,5 кг/см²;

Температура воды, подаваемой в насос, ^оС: t_ср=от 60 до 90 ^оС, График регулирования температуры регулировочным клапаном (рисунок 1.3) приведен в таблице 1.1.

Таблица 1.1

График регулирования температуры прямой отопительного контура в зависимости от температуры окружающей среды

Температура воды, возвращаемой на СЦБК, колеблется от 58 до 62 °C.

Таким образом, разность температур воды поступающей в контур и выходящей из него (Дt) изменяется от 15 до 25 °C.

Причем, Дt = 25 °C примерно 200 дней в году, то есть 80% от числа дней отопительного сезона, и Дt = 15 °C примерно 50 дней в году, то есть 20% от числа дней отопительного сезона.

Срок использования в течение года t_год, час: 6000.

Технические данные двигателя:

Напряжение U_ном, В: 380

Номинальная мощность Р_ном, кВт: 30

Другие данные:

Стоимость электроэнергии, руб/кВт*час: 0.47 руб/кВт*час

1.2.2 Конструкция насосной установки водозаборной станции Насосная установка размещена на станции водозабора на территории АО СЛДК и используется для подкачки воды из Северной Двины на технические и противопожарные нужды. На станции водозабора имеется три типа насосов (по два каждого типа). Причем два типа насосов используются при пожарах, а третий — наименее мощный — используется постоянно.

Технические данные насоса:

Технические данные технологического процесса:

1. Давление на подводящем трубопроводе, кг. см²: 0,3 кг. см²;

2. Наибольшая требуемая подача Q_max, м³/час: 2 м³/час;

3. Наименьшая требуемая подача Q_min, м³/час: 1,5 м³/час;

4. Давление на отводящем трубопроводе, кг/см²: 4 кг/см²;

5. Температура воды, подаваемой от ТЭЦ, ^оС: t_ср=от 0 до 4 ^оС (зимой), t_ср< 25 ^оС (летом);

6. Срок использования в течение года t_год, час: 8760.

Технические данные двигателя:

1. Напряжение U_ном, В: 380

2. Номинальная мощность Р_ном, кВт: 17,5

Другие данные:

Стоимость электроэнергии, руб/кВт*час: 0,47 руб/кВт*час С учетом изложенного выше, целесообразно рассмотреть возможность установки регулируемых электроприводов на насосных установках теплового пункта и системы пожаротушения на станции водозабора промплощадки № 2.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ НАСОСНЫХ СТАНОВКОК

2.1 Определение мощности, потребляемой насосным агрегатом ТП промплощадки № 2

Мощность, потребляемая насосом, определяется по формуле [11]:

где — плотность жидкости, кг/м³;

Q — подача насоса, м³/с;

g — ускорение свободного падения = 9.81 м/с²;

H — напор насоса, м;

_н — КПД насоса.

.

Мощность, кВт, потребляемая насосным агрегатом:

где _эд — КПД электродвигателя,

_пр — КПД частотного преобразователя.

.

С учетом возможных перегрузок целесообразно выбрать следующую мощность из ряда мощностей — 37 кВт.

Двигатель марки 4А200М4УЗ 12, синхронная частота вращения 1475 об/мин, КПД при номинальной нагрузке — 091, коэффициент мощности — cos = 0,9.

2.2 Определение мощности, потребляемой насосным агрегатом на станции водозабора

Мощность, потребляемую насосом, определяем по аналогии с пунктом 2.1:

=13, 63 кВт.

=15,78 кВт С учетом возможных перегрузок целесообразно выбрать следующую мощность из ряда мощностей — 18,5 кВт.

Двигатель марки 4А160М2УЗ 12, синхронная частота вращения 2940 об/мин, КПД при номинальной нагрузке — 0,88, коэффициент мощности — cos =0,91.

3. ВЫБОР СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Наиболее рациональным методом поддержания постоянного давления воды в системе является метод изменения частоты вращения центробежного насоса.

3.1 Системы регулируемого электропривода ЦН, особенности преимущества, недостатки

Целесообразно сравнить основные устройства автоматически регулируемых электроприводов ЦН по таким критериям как:

— функциональная возможность осуществления системой привода дискретно-ступенчатого регулирования частоты вращения ЦН;

— величина денежных затрат на приобретение других видов двигателей по сравнению с АКЗД;

— массогабаритные показатели электрических машин и управляющей аппаратуры;

— КПД и коэффициент мощности всей системы регулирования;

— надежность работы системы;

— возможности шунтирования регулирующего устройства при его повреждении и создании нерегулируемого привода насоса, что необходимо для бесперебойной работы установки.

В зависимости от рода тока и разновидности приводных двигателей, можно дать следующую классификацию известных систем регулирования частоты вращения ЦН для изменения уровня давления и величины подачи воды.

3.1.1 Преимущества приводных систем ЦН с двигателями постоянного тока:

простое регулирование частоты вращения двигателя, как контактных, так и бесконтактных (на силовых полупроводниковых элементах) схем;

— несущественные проблемы нагрева двигателя при пониженных скоростях;

— высокая стабильность регулировочных характеристик;

— КПД приводной системы при больших мощностях двигателя (свыше 200 кВт) достаточно высок.

Недостатки:

— стоимость двигателя, периодичность осмотров и ремонтов в 10 раз превышает затраты на использование АКЗД той же мощности и частоте вращения;

— необходимы выпрямительные установки;

— при повреждении выпрямителя двигатель останавливается, то есть нет возможности шунтирования регулятора и подключения двигателя непосредственно к сети для обеспечения бесперебойной подачи воды;

— массогабаритные показатели примерно в 1,5 — 2 раза выше, чем у АКЗД.

Рекомендуемый диапазон мощности приводной системы для ЦН, согласно — до 1 МВт.

3.1.2 Регулируемые приводные системы ЦН с синхронными двигателями, как правило, содержит преобразователь частоты — или электромагнитный, или статический со звеном постоянного тока или без него.

Преимущества:

— для мощных установок (выше 500 кВт) система имеет самый высокий КПД и коэффициент мощности [2];

— возможность повышения частоты вращения ЦН выше номинальной, обуславливаемой частотой питающей сети;

— при выходе из строя преобразователя частоты возможно подключение двигателя к сети как нерегулируемого.

Недостатки:

— из-за большого количества полупроводниковых элементов снижается надежность приводной системы с тиристорным преобразователем частоты;

— установленная мощность электромагнитных преобразователей частоты в 5 раз превышает мощность приводного двигателя;

— необходимость в дополнительном источнике постоянного тока или в выпрямителе для обмотки возбуждения;

— стоимость синхронного двигателя выше стоимости АКЗД.

Рекомендуется диапазон мощности привода, согласно [2], — выше 500 кВт.

3.1.3 В регулируемых приводных системах ЦН с асинхронного двигателя (АД) с фазным ротором следует выделить устройства с использованием энергии скольжения при понижении частоты вращения АД. Такие системы построены по каскадной схеме. По способу использования энергии скольжения различают две принципиально различные схемы: электрического и электромеханического каскадов.

Преимущества:

— реализация части энергии скольжения для создания полезного крутящего момента на приводном механизме или рекуперация в сеть, что повышает КПД системы;

— используя тиристорные асинхронно-вентильные каскады с узлом искусственной коммутации, можно увеличить коэффициент мощности практически до 1.

— При неисправном преобразователе приводной двигатель ЦН может работать как нерегулируемый АД;

— Для высоковольтных двигателей в роторной цепи используются низковольтные статические преобразователи, реализация которых проста.

Недостатки:

— при электромагнитных каскадах — наличие дополнительных электрических машин, что приводит к увеличению массогабаритных показателей в 4 -5 раз, согласно [2];

— при статических каскадах — необходимость дополнительного разделяющего трансформатора;

— стоимость магнитного и статического каскадов приблизительно равна и в несколько раз превышает стоимость приводного двигателя [2];

— наличие скользящих контактов двигателя.

Рекомендуемый диапазон мощности для приводов ЦН, согласно [2], — 20 — 1000 кВт.

Часть устройств привода ЦН без полезного использования энергии скольжения АД также построены на базе АД с фазным ротором.

Преимущества:

— стоимость дополнительных устройств;

— возможность получения жестких механических характеристик во всем диапазоне регулирования ЦН;

— большая часть энергии скольжения рассеивается вне обмоток двигателя.

Недостатки:

— наличие контактных колец двигателей, что приводит к пятикратному увеличению расходов на эксплуатацию по сравнению с АКЗД [2];

— энергия скольжения рассеивается, понижая КПД привода.

Рекомендуемый диапазон мощности для привода ЦН, согласно [2], — 20 — 200 кВт.

3.1.4 В регулируемых приводных системах ЦН с АКЗД можно выделить устройства с нерегулируемым АД и дополнительными регулируемыми узлами соединения АКЗД и ЦН:

— механические редукторы с регулируемым числом передачи;

— асинхронные электромагнитные муфты скольжения;

— электромагнитные муфты с явно выраженными полюсами;

— индукторные муфты;

— гидромуфты.

Преимущества:

— приводной АД работает в номинальном режиме с наивысшей эффективностью;

— осуществляется плавное или ступенчатое регулирование в необходимом диапазоне регулирования ЦН;

— простая схема регулирования ЦН;

— невелики дополнительные капитальные затраты.

Недостатки:

— увеличение более чем в 2 раза габаритов схемы и фундамента;

— для электромагнитных муфт необходим источник постоянного тока;

— тепловые потери пропорциональны скольжению, большой шум [2];

— КПД приводной системы не превышает 0,66 [2]/

Рекомендуемые мощности электромагнитных муфт до 20 кВт, индукторных муфт — до 300 кВт.

Частота вращения АКЗД, согласно [2], равна

(3.1)

где f — частота питающего напряжения;

p — число пар полюсов АКЗД;

s — скольжение.

Следовательно, регулировать скорость АКЗД можно, изменяя:

— частоту питающего напряжения;

— число пар полюсов;

— величину скольжения, что достигается регулированием подводящего напряжения или включение активных или индуктивных сопротивлений в цепи статорных обмоток АКЗД.

С учетом этих способов регулирования скорости АКЗД разработан ряд регулируемых приводных устройств ЦН.

1) Приводная система ЦН с многоскоростными АКЗД и переключающим устройством. При контакторном управлении — ступенчатое регулирование, при тиристорном — плавный переход от одной частоты вращения, соответствующей одному числу пар полюсов, к другой.

Преимущества:

— при работе на частотах вращения, соответствующих номинальным при определенном числе пар полюсов, КПД системы выше 0,9;

— высокий коэффициент мощности.

Недостатки:

— стоимость двигателя в 1,7 раз превышает стоимость АКЗД [2];

— при ступенчатом регулировании центробежные насосные установки теряют гидравлическую устойчивость;

— диапазон регулирования ЦН на практике исключает целесообразность применения многоскоростных двигателей.

Рекомендуемый диапазон мощности при использовании данной системы регулирования частоты вращения ЦН, согласно [2], не превышает 40 кВт.

2) Приводная система ЦН с АКЗД и регулятором напряжения.

Напряжение на зажимах статорных обмоток АКЗД можно регулировать автотрансформатором, дросселями насыщения, магнитными усилителями, реостатами и тиристорным регулятором напряжения.

Преимущества:

— надежная система регулирования;

— низкая стоимость дополнительного электрооборудования;

— малые габариты дополнительного оборудования;

— отсутствие скользящих силовых контактов, что увеличивает периоды между профилактическими ремонтами.

Недостатки:

— энергия скольжения рассеивается в двигателе;

— коэффициент мощности системы понижается с увеличением скольжения АКЗД;

— целесообразно применение специальных АКЗД с массивным ротором или завышением установленной мощности АКЗД.

Рекомендуемый диапазон мощности данной системы до 100 кВт.

3) Приводная система ЦН с преобразователем частоты и АКЗД. Преобразователи частоты бывают электромагнитные и статические (тиристорные преобразователи частоты ТЧП). В зависимости от своей структуры тиристорные преобразователи частоты бывают:

— со звеном постоянного тока;

— с непосредственным преобразователем частоты.

Преимущества:

— жесткие регулировочные характеристики во всем диапазоне регулирования;

— высокий КПД системы с ТЧП во всем диапазоне регулирования;

— возможно повышение скорости ЦН выше номинальной, обусловленной частотой питающей сети.

Недостатки:

— высокая стоимость преобразователя;

— установленная мощность электромагнитных преобразователей частоты в несколько раз превышает мощность приводного двигателя.

Рекомендуемые мощности данной системы — да 1 МВт.

3.1.5 Регулирование величины входного напряжения может осуществляться методом широтно — импульсного регулирования (ШИР) или более совершенным методом широтно — импульсной модуляции (ШИМ).

Известны разные варианты осуществления ШИР и ШИМ. При двуполярном ШИР каждая полуволна выходного напряжения однофазного АИН состоит из нескольких обычно одинаковых пар прямоугольников противоположной полярности, как это показано на рисунке 3.1а. Регулирование амплитуды основной гармоники напряжения достигается изменением соотношения продолжительности положительных и отрицательных импульсов.

а) б) Рисунок 3.1 Форма выходного напряжения U_аин однофазного АИН с ШИР (а) и ШИМ (б); U_1)аин — основная гармоника Метод двуполярной ШИМ является частным случаем ШИР, при котором соотношение ширины импульсов противоположной полярности на протяжении каждой полуволны выходного напряжения изменяется таким образом, чтобы среднее значение каждой пары импульсов за период их частоты следования (частоты ШИМ) равнялось мгновенному значению основной гармрники выходного напряжения в середине интервала усреднения. Кривая выходного напряжения (однофазного) АИН для такой двухполярной ШИМ показана на рисунке 3.1б.

При формировании выходных напряжений трехфазного АИН каждая из фаз нагрузки в любой момент времени оказывается подключенной к одному из двух полюсов входного постоянного напряжения. Поэтому в момент подключения данной фазы к одному из двух полюсов возможны три комбинации подключения двух других фаз:

1) обе фазы подключены к тому же полюсу;

2) одна из фаз подключена к тому же полюсу, а другая к противоположному;

3) обе фазы подключены к противоположному полюсу напряжения.

Следовательно, мгновенное напряжение каждой фазы трехфазного АИН может принимать значения соответствующие пяти уровням:

U=2U_d/3; U=U_d/3; U=0; U=-U_d/3; U=-2U_d/3,

где U_d — постоянное напряжение на входе в АИН.

Пример кривой выходного напряжения трехфазного АИН с ШИН показан на рисунке 3.6. Частота высших гармонических составляющих выходного напряжения определяется частотой ШИМ, которая при использовании в АИН современных транзисторов может без заметного снижения кпд преобразователя повышена до величины более 4кГц. Поэтому, несмотря на значительный уровень амплитуды высших гармоник напряжения АИН, токи активно — индуктивной нагрузки (например, АД) практически синусоидальны.

3.2 Выбор регулируемой приводной системы ЦН

3.2.1 Выбор системы регулирования угловой скорости двигателя насоса.

Методы изменения частоты вращения ЦН, приводными двигателями которого являются двигатели постоянного тока, синхронные двигатели и АД с фазным ротором, в нашем случае применять нецелесообразно в связи с их недостатками, описанными выше. Лучше использовать систему регулируемого электропривода с АКЗД, это определяется и рядом преимуществ этого двигателя по сравнению с другими видами двигателей: он более прост и надежен в эксплуатации, для его изготовления требуется меньше цветных металлов, он имеет меньшую массу, габариты и стоимость, чем другие виды двигателей той же мощности.

Рисунок 3.2

Так как использование многоскоростных АКЗД, как было сказано выше, для регулирования скорости ЦН нецелесообразно, то остаются два способа регулирования _ с помощью регулятора напряжения и преобразователя частоты. Рассмотрим эти способы:

1) Регулирование угловой скорости АКЗД изменением напряжения.

Механические характеристики АД при питании его от преобразователя напряжения, согласно [3], могут быть рассчитаны и построены на основании следующего соотношения:

(3.2)

где М_гр — момент на граничной характеристике при данном скольжении s, соответствующий работе АД при номинальном напряжении U_1ном;

U₁ — пониженное напряжение, для которого строится характеристика М (s).

Таким образом момент при понижении напряжения снижается пропорционально квадрату напряжения.

Критическое скольжение, не зависящее от напряжения, остается неизменным. Не изменится также и синхронная угловая скорость, которая зависит только от частоты питающего напряжения и числа пар полюсов двигателя.

Регулирование угловой скорости двигателя при этом способе регулирования происходит за счет уменьшения модуля жесткости механических характеристик и осуществляется вниз от номинальной угловой скорости. Плавность регулирования определяется плавностью изменения напряжения.

Вследствие уменьшения критического скольжения из-за влияния параметров регулирующего устройства. Пределы регулирования в разомкнутых системах еще уменьшаются.

Со снижением скорости уменьшается КПД и коэффициент мощности установки.

Так как большие потери мощности скольжения в двигателе с короткозамкнутым ротором выделяются в самом роторе, то допустимый момент резко уменьшается по мере роста скольжения, поэтому такой неэкономичный способ регулирования угловой скорости АКЗД можно использовать только при малой мощности двигателя.

2) Регулирование угловой скорости АКЗД с помощью преобразователя частоты.

Использование приводной системы ЦН с преобразователем частоты (ПЧ) и АКЗД обеспечивает плавное регулирование в широком диапазоне, получаемые характеристики обладают высокой жесткостью. При частотном регулировании скорости АД не происходит увеличения его скольжения, поэтому при этом способе регулирования потери скольжения оказываются небольшими, в связи с чем этот способ наиболее экономичен.

Для лучшего использования АД и получение высоких энергетических показателей его работы — коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности — одновременно с изменением частоты питающего напряжения необходимо изменять и значение этого напряжения. Это объясняется тем, что при неизменном напряжении источника питания U₁ и регулировании его частоты изменяется магнитный поток АД, поскольку, согласно [3], U₁~кФf₁. Магнитный поток при неизменной нагрузке на валу определяют значение тока ротора, так согласно [3]

(3.3)

где к — коэффициент, зависящий от конструктивных данных двигателя;

Ф — магнитный поток;

I₂ — ток ротора.

Если при неизменном напряжении изменять частоту, то поток будет изменяться обратно пропорционально частоте. Так, при уменьшении частоты поток возрастет и это приведет к насыщению стали машины и как следствие к резкому увеличению тока и повышению температуры двигателя; при увеличении частоты поток будет уменьшаться и как следствие будет уменьшаться допустимый момент.

Для наилучшего использования АД при регулировании угловой скорости изменением частоты необходимо регулировать напряжение одновременно в функции частоты и нагрузки, что реализуется только в разомкнутых системах электропривода. В разомкнутых системах напряжение регулируется лишь в функции частоты по некоторому закону, зависящему от вида нагрузки.

При выборе соотношения между частотой и напряжением, подводимым к статору АД, исходят из условия сохранения его перегрузочной способности, которая, согласно [3], определяется отношением критического момента двигателя М_к к моменту нагрузки М_с,

.(3.4)

Если пренебречь активным сопротивлением статора (r₁=1), то основной закон изменения напряжения при частотном способе регулирования скорости асинхронного двигателя, удовлетворяющий требованию (3.4), согласно [1], выглядит так:

(3.5)

где U_1i, U_1k — фазное напряжение источника питания АД при частотах f_1i, f_1k соответственно;

M_c(_i), M_c(_k) — моменты статической нагрузки на валу двигателя при скоростях _i, _k соответственно.

С помощью выражения (3.5) могут быть получены частные законы изменения напряжения и частоты при различных зависимостях момента нагрузки М_с от скорости.

При постоянном моменте нагрузки М_с=const, при этом согласно (3.5)

(3.6)

то есть напряжение на статоре должно изменяться пропорционально его частоте.

Допущение r₁=0 приемлемо для АД большой мощности при изменении частоты, а значит и скорость ниже основной в диапазоне до 2 — 2,5. При регулировании скорости вверх от основной допущение r₁=0 приемлемо.

3.2.2 Выбор способа регулирования частоты питания АКЗД Упрощенная схема при частотном управлении электроприводом показана на рисунке 3.3.

Необходимым элементом привода является преобразователь частоты и напряжение, на вход которого подается стандартное напряжение сети U₁ промышленной частоты, а с его выхода снимается напряжение U_рег регулируемой частоты f_рег, значения которой находятся между собой в определенных соотношениях. Регулирование выходной частоты и напряжения преобразователя осуществляется с помощью управляющего сигналы, изменение которого определяет в конечном итоге изменение скорости АД.

Рисунок 3.3 Схема асинхронного электропривода при частотном регулировании.

Различные типы преобразователей частоты могут быть разделены на две группы: машинные (вращающиеся) преобразователи и статические преобразователи. Статические преобразователи частоты получили свое название потому, что система построена на статических элементах и устройствах, таких как полупроводниковые приборы, конденсаторы и т. д.

Статические преобразователи делятся на две группы: преобразователи частоты без звена поверхностного тока, с непосредственной связью питающей сети и нагрузки (непосредственный преобразователь частоты) и преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока.

Рассмотрим преобразователи частоты со звеном постоянного тока.

Функциональная схема ПЧ со звеном постоянного тока показана на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 Функциональная схема преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока Силовая часть ПЧ этого типа состоит из двух основных блоков: управляемого выпрямителя — УВ и управляемого инвертора — УИ.

Напряжение сети U₁ стандартной частоты f₁ подается на вход УВ; с выхода УВ постоянное регулируемое напряжение через фильтр Ф, сглаживающий пульсации выпрямленного напряжения, подается на УИ, который преобразует постоянное напряжение в переменное напряжение U_рег регулируемой частоты f_рег. Кроме двух силовых элементов, преобразователь содержит еще систему управления, состоящую из блока управления выпрямителя — БУВ и блока управления инвертором. Выходная частота регулируется в широком диапазоне и определяется частотой коммутации тиристоров инвертора, которая задается блоком управления инвертора БУИ. В такой схеме производится раздельное регулирование амплитуды и частоты выходного напряжения, что позволяет осуществить при помощи блока задания скорости — БЗС требуемое соотношение между действующим значением напряжения и частотой на зажимах АД.

Достоинства ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока:

— возможность регулирования выходной частоты преобразователя тока в широких пределах как вверх, так и вниз относительно частоты сети, благодаря наличию звена постоянного тока;

— высокий КПД системы;

— значительное быстродействие;

— сравнительно высокая надежность;

— бесшумность в работе.

Недостатки ПЧ со звеном постоянного тока:

— высокая стоимость ПЧ;

— двукратное преобразование энергии, что снижает его КПД и увеличивает массу и габариты.

— Анализируя описанные ПЧ необходимо выделить статические преобразователи перед вращающимися, так как статические ПЧ обладают рядом преимуществ:

— меньше затраты на установку оборудования, так как этим преобразователям не нужны фундаменты и точная центровка валов, которая необходима при использовании вращающихся машин. Статические преобразователи требуют также меньшей площади для своего расположения и производят меньше шума;

— расходы на эксплуатацию и ремонт статических преобразователей снижается в связи с увеличением КПД и отсутствием вращающихся частей, которые с течением времени изнашиваются и требуют периодической замены;

— эти преобразователи являются более простыми с точки зрения управления, так как выходные частота и напряжение независимо друг от друга можно изменять в широких диапазонах и без затруднений использовать замкнутые системы регулирования. С помощью статических преобразователей реализуются любые законы регулирования напряжения и обеспечиваются высокие пусковые моменты.

Сравнивая системы ПЧН и ПЧ со звеном постоянного тока, можно сказать, что ПЧН особенно целесообразно использовать для низкоскоростных реверсивных приводов, а преобразователи со звеном постоянного тока — там, где необходимо регулирование в широком диапазоне частот.

3.3 Рассмотрим принципы широтно-импульсного управления и формирования выходного напряжения в электроприводах.

Принципы широтно-импульсного (ШИМ) управления и формирования выходного напряжения в электроприводах AT

Основой преобразователя является автономный инвертор напряжения (АИН), выполненный на полностью управляемых IGBT-модулях. Схема трехфазного инвертора напряжения приведена на рисунке 3.5. Фазы нагрузки а, в, с, подключенные к выходным зажимам инвертора, соединены по схеме «звезда».

В зависимости от режимов работы АИН различают два типа алгоритмов управления вентилями: с однократным, в течение периода, переключением каждого вентиля и с многократными, в течении периода, переключениями каждого вентиля. Рассмотрение методов формирования выходного напряжения начнем с первого из них, как более простого и наглядного.

Два вентиля каждой фазы работают (включаются в проводящее состояние) поочередно со сдвигом по фазе на р рад., интервал проводимости L каждого вентиля в течении периода составляет р радВентили соседних фаз работают со сдвигом на 2р/3 рад.

Рисунок 3.5

За счет этого, в любой момент времени каждая фаза нагрузки подключена к одному из полюсов источника питания и существует цепь для протекания тока. Алгоритм управления вентилей приведен на рисунке 3.6 (диаграммы 1−6). Как видно из диаграммы, в каждый момент времени работают три вентиля, через каждые р/3 рад. осуществляется переключение вентилей одной из фаз. Период состоит из шести интервалов длительностью р/3 рад., так называемых периодов повторяемости, характеризующихся определенным состоянием проводимости вентилей и фаз нагрузки. В течении каждого периода повторяемости одна из фаз нагрузки, подключенная к одному из полюсов источника питания, оказывается последовательно соединенной с двумя другими фазами, соединенными параллельно между собой и подключенными к другому полюсу источника питания. В качестве примера на рисунке 3.7 приведена схема подключения нагрузки к источнику питания на периоде повторяемости с рабочим состоянием вентилей 2, 3, 6. На рисунке 3.6 на периодах повторяемости цифрами указаны соответствующие рабочие состояния вентилей.

Рисунок 3.6

Число возможных состояний вентилей равно числу комбинаций по 3 вентиля, относящихся к разным фазам, т. е. восьми. Кроме указанных на рисунке 3.6 шести состояний, возможны еще два — 1, 3, 5 и 2, 4, 6, которые приводят к закорачиванию всех трех фаз нагрузки на одном из полюсов источника питания. Формы кривых линейных и фазных напряжений на выходе АИН показаны на рисунке 2. Выходные напряжения инвертора могут быть представлены в виде:

где К — коммутационная функция соответствующего напряжения.

Для линейных напряжений К=±1, 0.

Для фазных напряжений К=±1/3, ±2/3.

Описанный алгоритм поочередного управления вентилями обеспечивает неизменность формы коммутационных функций АИН при всех значениях выходной частоты и, следовательно, неизменный гармонический состав его выходного напряжения.

В режиме U_d = const регулирование значения и изменение формы выходного напряжения возможно только путем трансформирования вида коммутационной функции методами широтно-импульсного регулирования (ШИР) и широтно-импульсной модуляции (ШИМ), требующих использования более сложных, в сравнении с алгоритмом поочередного управления, алгоритмов с многократными переключениями вентилей. Многократность предполагает осуществление в течении периода повторяемости наряду с очередным (связанным со сменой периодов повторяемости) переключением вентилей одного или нескольких дополнительных переключений. В этом случае интервалом проводимости следует считать суммарную длительность его включенного состояния в течение периода выходной частоты.

Для целей ШИР в качестве дополнительного используется переключение, переводящее АИН в одно из двух нулевых состояний (1, 3, 5 или 2, 4, 6). Это приводит к появлению нулевых пауз на соответствующих интервалах коммутационной функции и обеспечивает регулирование действующего значения выходного напряжения в диапазоне от 0 до максимума.

Более сложные алгоритмы управления, основанные на применении широтно-импульсной модуляции (ШИМ), применяются с целью улучшения качества формы выходного напряжения (его гармонического состава). В преобразователях AT используется алгоритм, известный как метод коммутационного вектора (в зарубежной литературе — Space Vector Modulation).

Рисунок 3.7

Целью алгоритма является формирование управляющих последовательностей, обеспечивающих более плавное изменение выходных напряжений при смене периодов повторяемости по сравнению со ступенчатой формой напряжения, образуемого в результате работы алгоритма поочередного управления вентилями. Поскольку, как указывалось ранее, в используемой схеме возможны только 6 рабочих и 2 нулевых состояния вентилей, требуемая форма выходного напряжения может быть получена только в результате комбинированного действия различных состояний в течении периода повторяемости.

Для определения требуемых сочетаний состояний предлагается графический метод (векторная диаграмма). Шесть рабочих состояний представляются в виде векторов, смещенных друг относительно друга на р /3 рад. Нулевые состояния представляются в виде векторов нулевой длительности, расположенных в начале координат. Указанные 8 векторов называются базовыми коммутационными (пространственными) векторами. Полученная система векторов изображена на рисунке 3.8 Область, заключенная между двумя соседними осями, определяет соответствующий период повторяемости.

Рисунок 3.8

Данная диаграмма иллюстрирует оба рассмотренных ранее метода управления: поочередное управление (в течении интервала р/6 рад. состояние вентилей остается неизменным) и ШИР (производится комбинирование рабочего состояния с нулевым). Метод коммутационного вектора предполагает наличие помимо базовых также и некоторого количества промежуточных векторов — U_пp, располагающихся внутри сегментов.

Положение каждого промежуточного вектора определяется его смещением относительно базового вектора для данного сегмента на угол ц. Промежуточный вектор может быть разложен на составляющие путем проецирования на ближайшие к нему базовые векторы. Разложение иллюстрирует диаграмма на рисунке 5 (для примера взят сегмент 0… р /3 рад.).

Рисунок 3.9

В результате разложения получаются два вектора, при этом проекцию на ось, являющуюся базовой для данного сегмента будем называть основной (с длительностью Т_осн), а проекцию на ось, базовую для следующего сегмента — дополнительной (с длительностью Т_доп). Очевидно, что:

;

.

Далее, каждый период повторяемости разбивается на определенное число интервалов (векторов) с длительностью Т_шим в случае, если Т_шим является функцией выходной частоты преобразователя, ШИМ называется синхронной (при этом число векторов за период повторяемости либо постоянно во всем диапазоне частот, либо выбирается из конечного ряда), а в случае, если Т_щим является постоянной величиной, ШИМ называется асинхронной (число векторов изменяется и равно Т_вых/Т_шим).

Интервал Т_шим в свою очередь, разбивается на две части пропорционально рассчитанным для данного вектора Т_осн и Т_доп в течение которых устанавливаются соответственно базовые (рабочие) для данного и последующего сегментов комбинации вентилей.

Масштабирование действующего значения производится умножением обеих составляющих на коэффициент амплитуды К (величину в диапазоне 0… р/3). Ограничение коэффициента амплитуды сверху обусловлено тем, что при значениях ц, близких к р/6, сумма Т_осн и Т_доп превышает 1

Т_осн(р/6)+Т_доп(р/6)=.

Оставшаяся после масштабирования часть Т_шим называется нулевым интервалом Т₀, во время его действия устанавливается одно из двух нулевых состояний вентилей.

.

Порядок чередования основного, дополнительного и нулевого интервалов в течение Т_шим определяется, исходя из требования минимизации числа переключений вентилей.

В результате действия данного алгоритма в кривой выходного напряжения увеличивается доля основной гармоники и уменьшаются значения высших гармоник, близких к основной (порядка 5, 7, 11, 13 и т. д.), что обеспечивает высокую степень синусоидальности выходного тока (тока электродвигателя) во всём диапазоне регулирования частоты и напряжения.

Таким образом, анализ состояния вопроса показал, что оптимальную по энергетическим показателям и по регулировочным и механическим характеристикам структуру современного частотно — регулируемого асинхронного электропривода на основе преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока (рисунок 3.9), состоящего из выпрямителя с индуктивно — емкостным фильтром постоянного тока, и автономного инвертора напряжения, построенного на силовых транзисторах и формирующего основную гармонику выходного напряжения методом широтно — импульсной модуляции. Регулируемый электропривод, силовая часть которого базируется на структуре, представленной на рисунке 3.9, обладает целым рядом достоинств: широким диапазоном регулирования (D=30.60 и более); высоким коэффициентом полезного действия (без учета двигателя он достигает величины 0,98); высоким коэффициентом мощности (до 0,98); высокой надежностью и компактностью преобразователя и др. Все это свидетельствует в пользу рассмотренной структуры силовой части.

Рисунок 3.9 Частотно-регулируемый электропривод:

В — выпрямитель; Ф — фильтр; АИН — автономный инвертор напряжения; УУП — устройство управления преобразователем частоты.

Рассмотренный режим автоматического регулирования может быть реализован с помощью частотных преобразователей фирм ABB и YASKAWA, которые имеют встроенные ПИД — резисторы. Технические данные этих преобразователей приведены в таблицах 4.1 и 4.2 для мощности 18,5 и 37 кВт соответственно.

Таблица 3.1

Таблица 3.2

4. СТАБИЛИЗАЦИЯ НАПОРА В СИСТЕМЕ ПОДАЧИ ВОДЫ

Необходимость стабилизации напора насосной установки обусловлена переменным характером водопотребления и водоподачи. Вероятностный характер их изменения требует непрерывных изменений в режиме работы насосной установки. Эти изменения должны выполняться так, чтобы поддерживались требуемые значения технологических параметров (подач, напоров) в системе в целом и одновременно обеспечивалось минимально возможное энергопотребление насосной установки.

При работе насоса с постоянной угловой скоростью на его выходе поддерживается стабильный требуемый напор. В остальное время, когда насос работает с пониженной подачей, система «насос — трубопровод» работает с повышенным напором (рисунок 2). Чтобы обеспечить работу насосной установки без превышения напора при всех значениях водопотребления и водоподачи, необходимо применить систему автоматического потребления (САУ), оснащенную регулируемым электроприводом.

Рассмотрим систему стабилизации напора в точке, А насосной установки (рисунок 4.1).

САУ состоит из насосного агрегата, оснащенного регулируемым электроприводом, датчика давления, пропорционально-интегрального регулятора (ПИ-регулятора), задающего устройства — задатчика значения регулируемого параметра (напора) и каналов связи между преобразователем и регулятором.

Сигналы от преобразователя давления и от задающего устройства поступают в ПИ-резистор, где они сравниваются, и после соответствующей обработки передаются в систему управления регулируемого электропривода. Если напор оказывается выше заданного, в привод поступает команда на уменьшение частоты вращения электродвигателя насоса, и наоборот. При соответствии напора заданному значению изменение частоты вращения насоса прекращается.

Процесс регулирования происходит следующим образом. В момент времени t насос работает с напором Н₁, подачей Q, и частотой вращения n1 (рисунок 4.2). Этому режиму соответствуют потери напора h_дин1. Тогда напор в точке, А равен:

Пусть этот напор соответствует заданному значению напора в точке, А — Н_зад. Если предположить, что в следующий момент времени t2 потребитель уменьшает отбор воды из системы, то уменьшенной подаче Q₂ соответствует возросший напор Н₂ и пониженные потери напора h_дин2. Как видно из рисунка 5.2, Н_а2 больше заданного значения напора Н_зад=Н_а1. Сигнал от датчика давления, установленного в точке А, сравнивается с сигналом задающего устройства. Преобразованный сигнал рассогласования поступает в систему управления электроприводом. В результате частота вращения уменьшается до тех пор, пока напор в точке, А не примет опять заданного значения Н_зад=Н_а1. При изменении частоты вращения напорная характеристика займет положение, соответствующее частоте вращения n2, а на выходе насосной станции установится новое значение Н₂. Таким образом, рабочая точка насоса на графике последовательно занимает положение 1, затем 2, и наконец 2`.

При дальнейшем уменьшении водопотребления рабочая точка насоса будет перемещаться аналогичным образом.

Система управления обычно настраивается так, чтобы изменения частоты вращения происходили при малых отклонениях значений напора в точке, А от заданных значений. Поэтому криволинейный треугольник 1,2,2` должен иметь как можно меньший размер. Вследствие этого рабочая точка насоса практически плавно перемещается по характеристике системы и, следовательно, система работает без превышения напоров, т. е. в экономичном режиме.

Рисунок 4.1 Принципиальная схема стабилизации напора в т. А водопроводной сети:1 — центробежный насос; 2 — электродвигатель; 3 — датчик давления; 4 — тиристорный преобразователь частоты со встроенным ПИД-резистором; 5 — задающее устройство; 6 — канал связи; 7 — водоразборное устройство; 8 — трубопровод.)

5. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ ПРИ РЕГУЛИРОВАНИИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

Центробежные механизмы для подачи жидкостей и газов (вентиляторы насосы нагнетатели, компрессоры) являются основными общепромышленными механизмами, обладающие наибольшими потенциальными возможностями для значительного сокращения расхода электроэнергии. Особое положение центробежных механизмов объясняется их массовостью, большой мощностью, как правило, длительным режимом работы. Указанные обстоятельства определяют значительный удельный вес этих механизмов в энергетическом балансе.

Эксплуатационные свойства центробежных механизмов представляют в виде зависимостей напора H от расхода Q (так называемая Q-H характеристика) — H=f (Q) и мощности P от расхода Q — P=f (Q). Вид этих характеристик весьма разнообразен и в большинстве случаев имеет сложное аналитическое описание. На рисунке 5.1 приведены характеристики насосной установки H (Q) и P (Q).