Проектирование автоматизированного электропривода

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время электропривод подавляющего большинства механизмов по техническим требованиям и в пределах реализуемой мощности машины может быть выполнен на основе асинхронного двигателя. Примерами таких механизмов могут служить водяные и воздушные насосы, вентиляционные и компрессорные установки, лифты и различные подъемники, эскалаторы и т.д. При работе этого оборудования необходимо изменять режимы работы электродвигателей в широких пределах. Но главной целью является максимальная экономия электроэнергии. Поэтому, вопрос выбора системы управления асинхронным двигателем является очень важным этапом проектирования оборудования.

Современная система управления асинхронным двигателем должна обеспечивать максимальную экономию электроэнергии, высокую точность регулирования частоты, оптимальный закон управления, иметь высокую надежность и невысокую стоимость. Такие системы управления строятся на базе микропроцессоров и позволяют достигнуть высоких показателей требуемых технологических параметров.

Задачей настоящего дипломного проекта является проектирование автоматизированного электропривода вертикального насоса второго подъема.

Данная система должна работать как при нормальных, так и при аварийных режимах.

1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Анализ технологического процесса

Насос Ї это гидравлическая машина, в которой энергия привода преобразуется в энергию жидкости. Гидравлическими машинами называются технические устройства, преобразующие механическую энергию привода в механическую энергию жидкости, или, наоборот, механическую энергию жидкости в механическую энергию привода.

В условиях неравномерного разбора надо обеспечить постоянное давление на очистных фильтрах расположенных в системе. Эта система включает в себя два насоса, один работающий постоянно, а другой в резерве. Для обеспечения экономичности и последовательной работы насосов были применены два преобразователя частоты.

Описание промышленной установки.

В установке можно выделить следующие узлы:

Электроприводы насосов, производят включение двигателей, как в автоматическом, так и в ручном режиме.

Цепи управления, обеспечивают включение электроприводов насосов в необходимый момент и их защиту в аварийных режимах.

В системе должен присутствовать набор датчиков процесса.

Датчик динамического уровня, определяющий высоту воды над насосом и ее изменение при работе насоса. Этот показатель очень важен, по нему выполняется первая ступень электрических защит насоса по сухому ходу.

Датчик давления на выходе для определения характеристик сети в данной точки и работы насоса.

Измеритель потока (расходомер), первая точка коммерческого учета поднятой воды и контроль работоспособности насоса. В сочетании со значениями давления можно построить насосную кривую.

Набор датчиков электрических параметров.

Измерение напряжения по всем трем фазам, важнейший показатель для организации электрических защит насоса.

Измерение напряжения смещения нулевой точки от виртуального ноля, контролируется наличие трехфазной сети для электрической защиты насоса.

Контроль порядка следования фаз, иначе насос не будет работать.

Измерение тока по всем трем фазам для организации электрической защиты насоса.

Измерение тока утечки на землю для контроля за состоянием насосного кабеля.

Измерение потребляемой электрической мощности для определения эффективности насоса.

Измерения коэффициента мощности для определения механического состояния насоса.

Основными параметрами и характеристиками насосного оборудования являются давление, напор, подача, мощность.

Давление, создаваемое насосом, Ї разность удельных энергий рабочей жидкости между всасывающим и нагнетающим патрубками:

,

где - Р_Н и Р_В Ї абсолютные давления на выходе и входе, Па;

- V_H и V_B Ї скорость жидкости на выходе и входе, м/c;

- Z_H и Z_B Ї высоты точек замера давления от плоскости сравнения, м;

- с Ї плотность жидкости, кг/м³; g Ї ускорение свободного падения(9,8 м/с²).

Скорости жидкости на входе V_B выходеV_Hопределятся по формулам:

, (1.1)

,

где - Q Ї подача насоса, м³/с; S_H и S_B Ї площади проходного сечения в местах измерения давлений P_Н и P_В, м³.

На практике, когда речь идет о динамических насосах, чаще используется понятие напора, которое измеряется в метрах столба жидкости (чаще всего Ї воды), м.

Напор

, (1.2)

На основании формул (1.1) и (1.2) получаем:

.

Подача насоса Q Ї объем (масса) рабочей среды, подаваемой машиной в единицу времени. Подача измеряется в м³/с, м³/час, л/с, л/мин. Массовая подача Q_м измеряется в кг/с, т/ч. Если известна массовая подача Q_м, то объемная подача Q определяется из соотношения Q=Q_м/с.

При характеристике насосов различают:

оптимальную подачу Qопт Ї при оптимальном КПД;

номинальную подачу Qном Ї определенную по техническим условиям на поставку насоса;

минимальную Q_мин и Q_макс максимальную подачиЇ предельные значения подач, которыми ограничивается рабочая область насоса.

Мощность насоса (компрессора) P Ї мощность, передаваемая от привода (электродвигателя) на вал насоса (компрессора), измеряется обычно в кВт.

Полезная мощность:

,

Мощность насоса больше полезной мощности на величину потерь в насосе.

При движении жидкости в сужающихся каналах (в рабочем колесе насоса, на перегибах трубопроводов, в запорной арматуре) скорость потока увеличивается, а давление падает.

Там, где давление снижается до давления насыщенного пара при данной температуре, происходит быстрое вскипание жидкости с образованием пузырьков. После перехода в зону повышенного давления пузырьки быстро сжимаются, Ї происходит гидравлический удар.

Повторяющиеся гидравлические удары разрушают поверхности элементов проточной части. Кроме разрушения материала, кавитация приводит к существенному снижению КПД насоса, и, как следствие Ї к росту потребляемой мощности, повышенной вибрации и в конечном итоге к срыву характеристик Н, Р, з.

В процессе эксплуатации насосов возможны изменения основных параметров их работы: могут меняться подача, напор и соответственно потребляемая мощность. Поэтому необходимо располагать данными о взаимосвязи основных параметров насоса в достаточно широком диапазоне их изменения.

Зависимости напора, потребляемой мощности, КПД и допустимого кавитационного запаса насоса от подачи называют характеристиками. Они представляются обычно в виде графика H(Q), P(Q), з(Q), Дh_ДОП.

Зависимость напора от подачи H(Q) называется напорной или главной характеристикой. Характеристики насосов необходимы потребителю для подбора оборудования, определения условий монтажа и эксплуатации, согласования параметров насоса с параметрами сети.

Выбор насоса начинается с определения требующихся основных параметров: подачи и напора. Подача насоса должна быть не меньше расхода (производительности) гидросети. Расход жидкости определяется потребителем на стадии проектирования сети или гидравлической системы.

Более ответственным этапом в подборе конкретного типа насоса является определение его напора. Этот этап существенно упрощается, если в проекте системы имеются результаты гидравлического расчета, на основании которых получена гидравлическая характеристика сети.

Гидравлической характеристикой сети называется графическая зависимость напора, расходуемого в сети Н_С, от расхода жидкости Q. Для перемещения жидкости насосом в сети необходимо затрачивать энергию на подъем жидкости в сети на высоту Н_Г, на преодолевание разности давлений Р_Н - Р_В в напорной и всасывающей емкостях и суммарных гидравлических потерь Уh_П.

В сетях, где напорная и всасывающая емкости находятся под атмосферным давлением,

Р_Н=Р_В=Р_А, и Р_Н - Р_В=0.

Гидравлическая характеристика сети представляет собой суммарную гидравлическую характеристику подводящего и напорного трубопроводов Уh_Г - Уh_Г(Q), смещенную вдоль оси напоров на величину Н_СТ, где

Н_СТ=Н_Г+(Р_Н-Р_В)/с·g.

При установившемся режиме работы системы насос-сеть может быть только одна рабочая точка, координаты которой представляют рабочий напор Н и его подачу Q.

На практике рабочая точка определяется наложением гидравлической характеристики сети на изображение напорной характеристики. Далее по рабочей точке определяется потребляемая мощность. Напорные характеристики насосов приводятся в паспортах, справочниках и каталогах насосного оборудования или в технических условиях на насос.

При выборе насоса следует стремиться к тому, чтобы рабочая точка системы насос-сеть соответствовала точке с максимальным КПД насоса.

Зависимость H(Q) описывается формулой

,

где - Н₀ Ї напор насоса без расхода при номинальной скорости вращения электродвигателя,

- Н_Н Ї номинальный напор насоса при номинальном расходе Q_H и номинальной скорости вращения двигателя. Графики P(Q) и з(Q) получены опытным путем, но, учитывая линейный вид графика P(Q), можно в EXCEL задать его как линейную функцию проходящую через определенные точки. Используя формулу

, кВт (1.3)

где - Q Ї расход в м³,

- H Ї напор, развиваемый насосом в соответствии со своей характеристикой в атмосферах,

- г - удельный вес воды, г=9,81·10³ Н/м³,

- з Ї КПД насоса в относительных единицах, можно получить зависимость з(Q).

При частотном регулировании скорости насоса для стабилизации напора потребляемая мощность рассчитывается по формуле:

,

где - з_iФ Ї фиктивный КПД, определяемый по графику з(Q) для Q_iФ,

- Q_iф Ї фиктивный расход, который находится на параболе равного КПД с рабочим значением Q_i и рабочим напором H_р:

,

,

где - Н_iФ, Р_iФ Ї значения напора и мощности нерегулируемого насоса в при Q=Q_iФ.

Насосы для повышения давления CR производятся фирмой Grundfos уже более 30-лет и за это время хорошо зарекомендовали свою надежность и высокую энергоэффективность. Кроме того, немаловажным фактором относительно стоимости эксплуатации, является обеспечение многоступенчатыми насосами фирмы Grundfos больших значений КПД. Стандартизованная многовариантность исполнений различных узлов и деталей предоставляет непревзойденную в своем классе возможность оптимизации выбора под конкретные задачи производства. Концерн Grundfos производит насосы с шагом по расходу 1, 3, 5, 8, 10, 15, 16, 20, 32, 45, 64, 90 м3/ч и для каждого диапазона расходов предлагается до 10-30 типоразмеров по напору. Это позволяет всегда выбрать оптимальный вариант по гидравлическим параметрам и с точки зрения дальнейшего регулирования.



Рис.1.1.- Общий вид насоса типа CR-45.

Рис.1.2.- Диаграммы характеристик насосов CR-45.

1.2 Анализ взаимодействия оператор - промышленная установка

В данной установке оператор, путем переключения соответствующего переключателя, выбирает какой из электроприводов насоса будет основным, т. е. рабочим, а какой будет резервным. Также оператор задает путем переключений, в каком из режимов работает электропривод насоса, в ручном или в автоматическом.

В автоматическом режиме управление электроприводами насосов происходит без участия оператора.

В ручном режиме или в режиме опробования происходит пуск насоса с пульта. Тем самым оператор обрабатывает систему, проверяя исправность работы насосов, двигателей и системы в целом.

1.3 Анализ кинематической схемы, определение параметров и составление расчетной схемы механической части электропривода

В кинематической схеме центробежного насоса типа CR используются муфты, редукторы и другие передаточные механизмы (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Кинематическая схема электропривода

Для анализа механической части электропривода реальный механизм заменяют динамически эквивалентной, приведенной расчетной схемой, состоящей из дискретных (сосредоточенных) инерционных элементов, соединенных между собой упругими связями, и обладающей таким же энергетическим запасом, как и реальная система. Здесь под дискретным инерционным элементом понимается тело, обладающее свойствами инерции, податливостью которого можно пренебречь. Под упругой связью понимается упругое звено, массой которого можно пренебречь. В приведенной расчетной схеме все инерционные элементы осуществляют один вид движения - вращательные. При этом они располагаются на какой-нибудь одной упругой связи. Расчетные параметры можно приводить к любому заранее выбранному месту кинематической схемы механизма, к любому упругому ее элементу. Если приведение производится к какому-нибудь валу механизма, то получается расчетная приведенная схема вращательной системы (рис.1.4), в которой все массы имеют общую геометрическую ось. В такой системе нагрузки характеризуются крутящими моментами М, инерционные моменты - моментами инерции J, упругие элементы - коэффициентами жесткости при кручении (крутильной жесткостью) Скр.

Рисунок 1.4 - Расчетная приведенная схема вращательной системы

Суммарный момент инерции электропривода определяется как:

.

Момент инерции двигателя дан в каталоге, а насоса трудно вычислить по формулам использующим геометрические параметры, принимаем его как 2J_ДВ.

2 ВЫБОР СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1 Литературный обзор по теме дипломного проекта

Развитие полупроводниковой преобразовательной техники привело к широкому использованию электроприводов с электродвигателями переменного тока и к созданию новых систем управления этими электродвигателями. По сравнению с системами управления электроприводами постоянного тока систему управления электроприводами переменного тока значительно более разнообразны. В регулируемых электроприводах используются асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым или фазным ротором, синхронные или вентильные электродвигатели. Применяются различные способы регулирования скорости электродвигателя путем изменения: напряжения статора, частоты и напряжения статора, частоты и напряжения ротора, добавочного сопротивления в цепи ротора и др. Используется значительно большее число регулируемых координат, чем в электроприводах постоянного тока. Вместе с тем имеются определенные ограничения в использовании того или иного способа управления и созданной на основе этого способа системе управления электродвигателем. Все эти обстоятельства затрудняют формирование общих подходов к синтезу автоматических систем управления электроприводом (АСУ ЭП) переменного тока в такой степени, как это было сделано в АСУ ЭП постоянного тока.

Возможность управления частотой вращения короткозамкнутых асинхронных электродвигателей была доказана сразу же после их изобретения. Реализовать эту возможность удалось лишь с появлением силовых полупроводниковых приборов - сначала тиристоров, а позднее транзисторов IGBT. В настоящее время во всём мире широко реализуется способ управления асинхронной машиной, которая сегодня рассматривается не только с точки зрения экономии энергии, но и с точки зрения совершенствования управления технологическим процессом.

В промышленности и быту применяют двигатели переменного и постоянного тока. Исторически сложилось, что для регулирования скорости вращения чаще использовали двигатель постоянного тока. Преобразователь в данном случае регулировал только напряжение, был прост и дешёв. Однако двигатели постоянного тока имеют сложную конструкцию, критичный в эксплуатации щёточный аппарат и сравнительно дороги.

Асинхронные двигатели широко распространены, надёжны, имеют относительно невысокую стоимость, хорошие эксплуатационные качества, но регуляторы скорости их вращения из-за сложности систем электронного регулирования частоты питающего напряжения стоили до начала 80-х годов дорого и не обладали качествами, необходимыми для широкого внедрения в индустрию. Быстрый рост рынка преобразователей частоты для асинхронных двигателей не в последнюю очередь стал возможен в связи с появлением новой элементной базы - силовых модулей на базе IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), рассчитанный на токи до нескольких килоампер, напряжением до нескольких киловольт и имеющих частоту коммутации 30 кГц и выше.

Существует два основных типа преобразователей частоты: с непосредственной связью и с промежуточным контуром постоянного тока. В первом случае выходное напряжение синусоидальной формы формируется из участков синусоид преобразуемого входного напряжения. При этом максимальное значение выходной частоты принципиально не может быть равным частоте питающей сети. Частота на выходе преобразователя этого типа обычно лежит в диапазоне от 0 до 25-33 Гц. Но наибольшее распространение получили преобразователи чаcтоты с промежуточным контуром постоянного тока, выполненные на базе инвенторов напряжения.

Типы нагрузок

Требования к электроприводу определяются диапазоном требуемых скоростей и типом нагрузки.

Некоторые виды нагрузки имеют переменную механическую характеристику, для которой момент нагрузки возрастает с увеличением скорости вращения. Типичным примером устройств с такой нагрузкой являются центробежные насосы и вентиляторы, чья механическая характеристика описывается уравнением квадратичной параболы, а значит, потребляемая мощность пропорциональна кубу скорости вращения. Из этого следует, что даже небольшое снижение скорости электропривода может дать значительный выигрыш в мощности - вот почему экономия электроэнергии является главным преимуществом использования управляемого электропривода для насосов и вентиляторов. Теоретически снижение скорости на 10% даёт тридцати процентную экономию мощности.

Режимы управления электродвигателем

В зависимости от характера нагрузки преобразователь частоты обеспечивает различные режимы управления электродвигателем, реализуя ту или иную зависимость между скоростью вращения электродвигателем и выходным напряжением.

Для регулирования электроприводов насосов и вентиляторов используется квадратичная зависимость напряжения/частоты (U/f2=const). Этот режим, так же как и предыдущий, можно использовать для управления параллельно подключенными двигателями. Наиболее точное и эффективное управление обеспечивает режим векторного управления без датчика обратной связи по скорости (SVC). В двигателях переменного тока с короткозамкнутым ротором имеется всего лишь одна статорная обмотка, через которую формируется возбуждающее магнитное поле и определяет вращающий момент. С этим и связаны все трудности управления электродвигателем. Выход остаётся один: необходимо управлять амплитудой и фазой статорного тока, то есть его вектором, однако для управления фазой тока, а значит, и фазой магнитного поля статора относительно вращающегося ротора необходимо знать точное положение ротора в любой момент времени. Эта задача может быть решена с использованием датчика положения. В такой конфигурации привод переменного тока по качеству регулирования становится сопоставим с приводом постоянного тока, но в составе большинства стандартных электродвигателей переменного тока встроенные датчики положения отсутствуют, поскольку их введение неизбежно ведёт к усложнению конструкции двигателя и существенному повышению его стоимости.

Энергетические потери и вид регулирования

Потери энергии в технологическом процессе зависят от расхода сети (технологической нагрузки), определяемого потребителем, и потерь напора на оборудовании насосной станции которые определяются гидравлическим сопротивлением элементов схемы. Для организации технологического процесса с минимальными энергетическими потерями необходимо, в первую очередь, снизить потери напора между трубопроводом насосного агрегата и сетью потребителей.

Кроме того, в процессе функционирования в зависимости от режимов работы системы может меняться давление перед насосом, создаваемое источником водоснабжения. Измерение этого давления также отражается на величине давления в сети потребителей.

Такой характер взаимосвязи параметров требует установки в системе дроссельных регулирующих элементов - регулирующих клапанов (иногда их роль выполняют напорные задвижки агрегатов). Эти элементы создают дополнительное гидравлическое сопротивление и позволяют обеспечить стабильное давление в сетевом трубопроводе. При использовании дроссельных элементов происходит распределение напора на элементах системы.

На величину потерь при дроссельном регулировании влияет не только регулирующий элемент: чаще всего на этапе проектирования выбирается насосный агрегат с определённым запасом напора, а при замене насосных агрегатов новое оборудование может иметь несколько завышенные характеристики. Кроме того, диапазон изменения входных давлений (перед всасывающим патрубком насосного агрегата) оказывает влияние на величину давления за насосным агрегатом. Все эти обстоятельства приводят к тому, что потери энергии в ходе технологического процесса становятся достаточно большими, достигающими 45 и более процентов от номинальной мощности агрегата.

Для решения задачи минимизации потерь, связанных с регулированием давления в сети, необходимо исключить дополнительные гидравлические сопротивления на участке от насосного агрегата до сетевого трубопровода, то есть необходимо полностью открыть всю запорно-регулируюшую арматуру. Это можно сделать, если процесс регулирования давления передать насосному агрегату. Теория работы нагнетателей (насосов и вентиляторов) доказывает, что изменение частоты вращения привода нагнетателя изменяет его напорные характеристики, кроме того, напор создаваемый нагнетателем, пропорционален квадрату частоты вращения агрегата.

Если организовать работу привода насосного агрегата таким образом, чтобы он при изменении параметров технологического процесса (расхода в сети и давления на входе агрегата) изменял частоту вращения, то в итоге можно без существенных потерь энергии стабилизировать давление в сети потребителей. При таком способе регулирования исключаются потери напора (нет дроссельных элементов), а значит, и потери гидравлической энергии.

Способ регулирования давления в сети путём изменения частоты вращения привода насосного агрегата снижает энергопотребление ещё и по другой причине. Собственно насос как устройство преобразования энергии имеет свой коэффициент полезного действия - отношение механической энергии, приложенной к валу, к гидравлической энергии, получаемой в напорном трубопроводе насосного агрегата

Применение частотного регулирования приводов позволяет существенно уменьшить и эксплуатационные затраты, связанные с обслуживанием агрегатов и систем. Например, снижение перепада давления между всасывающим и напорным патрубками насосного агрегата увеличивает срок службы сальниковых уплотнений, практически исключая гидроудары и обеспечивает стабильность давлений в трубопроводах сетей, а также минимизирует затраты на обслуживание.

Регулирование производительности посредством дросселя.

Если требуется снизить производительность турбомеханизма, то простейшим, но неэкономичным способом является дросселирование с помощью клапана или шибера, расположенных за насосом. При снижении производительности до 50%, экономия мощности составляет для лопаток, загнутых назад, лишь 15% от нормальной мощности. Для других форм лопаток при той же степени дросселирования экономия составляет примерно 40% от нормальной мощности.

При повышении производительности на 50% (что с технической точки зрения осуществить с помощью дросселирования невозможно) лопатки, загнутые назад, не дают сколько-нибудь заметного увеличения потребляемой мощности. Потребляемая мощность повышается для лопаток, загнутых вперед на 60%, для радиальных стальных лопаток - на 37%.

Отсюда следует, что регулирование дросселем для лопаток, загнутых назад, нецелесообразно. Что касается других форм лопаток, то такой способ регулирования оправдывает себя экономически лишь для малых установок.

Регулирование производительности скоростями вращения.

Этот способ регулирования наиболее экономичен, так как при снижении производительности за счет уменьшения скорости вращения (n'), потребляемая мощность уменьшается пропорционально отношению скоростей вращения в степени 2-3.

Коэффициент полезного действия меняется в зависимости от изменения скорости вращения. Уменьшенная потребляемая мощность составляет:

.

Например, уменьшенная вдвое производительность при сниженной вдвое скорости вращения требует только примерно 1/8-1/6 нормальной мощности. Несмотря на повышение стоимости электродвигателя, пригодного для регулирования скоростей вращения.

Комбинированное регулирование производительности турбомеханизма.

Комбинация дешевого, но неэкономичного регулирования с помощью дросселя с частичным регулированием скоростями вращения позволяет добиться экономии мощности.

Комбинированный электропривод с регулированием скоростей вращения может дать те же 50% производительности.

Показатели экономии мощности:

при комбинированном регулировании в сравнении с регулированием дросселем - 50%.

при регулировании скоростями вращения по сравнению с регулированием дросселем - 79%.

При регулировании скоростями вращения по сравнению с комбинированным регулированием.[8]

2.2 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу и системе автоматизации

Требования, предъявляемые к системе управления электроприводом формируются исходя из требований обеспечения функционирования и управляемости технологическим процессом:

Требование технического задания.

Основным требованием к автоматизированному электроприводу является стабилизация напора, а для системы автоматизации -- в случае отказа преобразователя перейти в режим нерегулируемого насоса или включение резервного насоса при увеличении потребления воды выше возможностей одного насоса или при выведении его из строя.

Так же электроприводу насоса предъявляется следующие требования:

- Высокоэффективного перекачивания, при этом устраняется необходимость в регулирующих клапанах, которые неэффективно использовались для снижения расхода воды, и нет нужды недогружать насосы, что происходит при их работе с постоянной скоростью.

- Плавного пуска, помогающего избежать пиков давления и вытекающей отсюда нагрузки на выходные трубы. Это снижает риск повреждений и утечки, а также внезапных колебаний давления, которые вызывают вибрацию труб, сопровождаемую звуками, напоминающими стук молотка, называемые обычно "трамбовкой". Интенсивная трамбовка может даже вызвать разрыв труб, в то время как внезапное понижения давления может, наоборот, вызвать вдавливание. Кавитация может также вызвать коррозию трубопровода. Постепенная, а не внезапная остановка насосов к тому же предотвращает одинаково вредные для труб пики давления. Более того, она снижает износ подшипников и редукторов насоса.

С помощью настройки длительности разгона и торможения можно оптимизировать процесс запуска и останова.

- Удобство управления, гибкость управления. Это необходимо для того, чтобы обслуживание установки соответствовало требованиям изменяющегося технологического процесса.

- Удобство наладки. Использование блочной архитектуры. Это обеспечит быстроту изменения функционирования промышленной установки, а также оперативную замену вышедших из строя элементов.

- Надежность системы. Соответствие этому требованию позволит обеспечить безопасность функционирования промышленной установки.

- Требования к массогабаритным показателям.

- Энергетические показатели. Обеспечение этого требования является следствием экономии электроэнергии.

- Требования техники безопасности и охраны труда.

- Требования противопожарной безопасности.

- Защита от радиопомех и подавление собственных радиопомех. Использование экранированных проводов, а также применение реакторов на входе силовой схемы.

2.3 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода

Рисунок 2.1 - Функциональная схема электропривода

Автоматизированный электропривод насоса со стабилизацией напора должен иметь регулятор давления, на вход которого подается разность сигнала задания и обратной связи по давлению. Стабилизация напора реализуется изменением скорости вращения двигателя с помощью регулятора частоты, на вход которого поступает разность сигналов с выхода регулятора давления.

Выходной сигнал регулятора частоты является управляющим преобразователя частоты. Полученная схема представлена на рисунке 2.1.,

где Uзд Ї напряжение сигнала задания напора;

- РД Ї регулятор давления;

- ДД Ї датчик давления;

- В Ї выпрямитель;

- Ф Ї фильтр;

- АИНЇ автономный инвертор напряжения;

- М Ї двигатель;

- ФП Ї функциональный преобразователь;

- БЧУ - блок частотного управления;

- Н - насос;

- БПУ - блок программного управления;

- ПУ - пульт управления;

2.4 Определение возможных вариантов и выбор рациональной системы электропривода

Выбор системы управления осуществляется на основе анализа сравнительных технических данных, а именно: диапазона регулирования, способа управления, ресурса (уровня износостойкости), диапазона возможных мощностей электроприводов, показателей энергетики и динамики, а также дополнительных данных, определяющих условия эксплуатации электроприводов. Экономическая оценка систем управления должна базироваться на принципе минимальных расходов, связанных с первоначальными затратами, эксплуатационными затратами на ремонт, а также затратами на ремонт, а также затратами энергии. Выбирается система, обладающая наилучшими экономическими показателями. Если экономические показатели сравниваемых систем близки, то производится дополнительная оценка по массогабаритным показателям и условиям размещения электрооборудования. В настоящее время наибольшее распространение получили системы электроприводов переменного тока, т.к. они дешевле и надежнее электроприводов постоянного тока.

Так как условия технологического процесса не требуют повышения скорости электропривода выше номинальной, можно отказаться от векторного управления, удовлетворившись скалярным с широтно-мпульсной модуляцией.

3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

3.1 Разработка математической модели автоматизированного электропривода

автоматизированный электропривод насос механический

Так как, постоянная времени сети водоснабжения Т_С =300 с в несколько раз больше времени пуска двигателя t_П =3 с, то электромагнитные переходные процессы проходят намного быстрее, чем реальная установка достигает установившегося режима. Динамика у такой установки будет плохая.

Математическая модель АД составляется на основе уравнений обобщенной электрической машины в соответствующей системе координат. Любая симметричная многофазная электрическая машина при синусоидальном питании может быть приведена к эквивалентной двухфазной машине. Поэтому при допущении выполнения указанных условий в большинстве случаев используют модели двухфазных двигателей.

Мат описание гидросети.

Напор на выходе насоса определяется выражением:

.

Структурная схема имеет вид:



Рисунок 5.1 - Структурная схема насоса

Совместная работа насоса и магистрали в установившемся режиме работы определяется точкой пересечения ее напорной характеристики и

характеристики магистрали, подключенной машине. Характеристика магистрали описывается выражением:

.

Приравняем оба уравнения и выразим расход Q:

.

Коэффициент С₄ определяется по номинальным данным насоса.

,

где Н₀ - напор на валу насоса, соответствующий Q=0 (закрытая задвижка).

Данное выражение определяет зависимость расхода от скорости вращения рабочего колеса насоса на магистраль с неизменными параметрами.

Постоянную времени гидросети примем равной 300с.

Составим общую упрощенную структурную схему электропривода, представленную на рис. 5.2

Рисунок 5.2 - Структурная схема электропривода

Коэффициент обратной связи по давлению к_од был определен и равен 0,25 м/В.

Передаточная функция электропривода W_эп исходя из структурной схемы СУЭП может быть представлена в виде:

, (5.1)

где _и - постоянная времени задатчика интенсивности, к_эп = _max/U_{з max} = 30,6.

Действительно, электромагнитная постоянная времени двигателя Т_э, равная 0,001 с, пренебрежимо мала по сравнению с постоянной времени задатчика интенсивности _и, которая принята равной 10 с. Следовательно, пренебрегая электромагнитной постоянной времени двигателя Т_э, получаем что структурная схема системы управления электроприводом содержит одно апериодическое звено - задатчик интенсивности, а его постоянная времени определяет инерционные свойства системы управления электроприводом.

Постоянная же времени сети Т₀, также весьма мала по сравнению с _и (принята равной 0,005 с), следовательно ей можно пренебречь. Таким образом получаем контур регулирования содержащий одно апериодическое звено, с постоянной времени, равной постоянной времени задатчика интенсивности _и.

Стандартным регулятором для полученного контура регулирования является П-регулятор. Настроим его на технический оптимум:

, (5.2)

. (5.3)

Подставив в формулу 5.3 коэффициенты получим W_РН = 1/(2_ир). Таким образом, регулятор напора представляет собой п-регулятор с постоянной времени Т_РН равной двум постоянным времени задатчика интенсивности _и, т.е. Т_РН = 10 с.

Для объекта управления типа интегратор является П-регулятор. В связи с тем, что при моделировании коэффициент регулирования системы становится неустойчивым, принимаем коэффициент усиления 1

К выходу системы добавляем модель насоса реализующую преобразование сигнала скорости в сигнал напора

,

где - Т_СЕТИ Ї постоянная времени сети, т.е. время за которое сеть изменяет свои параметры, из-за протяженности и наличия воздушных карманов оно достаточно велико, измеряется в десятках секунд, по сравнению с ним время переходных процессов в преобразователе частоты и электродвигателе являются малыми величинами, которые не влияют на качество регулирования.

Так как необходимо учесть изменение статического напора сети, а следовательно и момента в зависимости от скорости, вводим обратную связь по моменту реализующую зависимость

,

где - кЇ коэффициент аппроксимации,

.

С достаточной точностью можно принять к=2,05. Полученная таким путем зависимость М(n) является Для данного привода щ_CT.MAX=1,2щ_HOM=370 рад/с, а условием эксплуатации насоса является щ_CT.MIN=0,9щ_НОМ=277 рад/с.

Структурная схема контура регулирования давления .

Рисунок 5.3 - Структурная схема регулирования давления

К гидросистемам предъявляются жесткие требования к превышению в них давления воды , так как это может привести к аварийным ситуациям ( в случае отказа защит ) . Поэтому регулятор давления мы оптимизируем по модальному оптимуму ( перегулирование составляет 4.3 % ) . Тогда в этом случае передаточная функция регулятора давления будет следующего вида [ 23 , с. 17 ] :

, ( 5.4)

где - постояная времени гидросети , примем =300 с ;

- постоянная времени электропривода , =0.5 с ;

- коэффициент перехода от задания частоты вращения к производительности компрессора , =1 .

- коэффициент обратной связи по давлению ,

3.2 Расчет параметров объекта управления

Синхронная угловая скорость

, (5.6)

Номинальный момент на валу

, (5.7)

Номинальная скорость двигателя определяется по формуле:

Номинальная угловая скорость двигателя:

рад/с,

тогда _max =_ном. =301,8 с^-1 - максимальная скорость двигателя;

_min = _max / D = 301,8/4 = 75,45 с^-1,

Определим время пуска двигателя:

t_n = J_ном. / М_п-М_с,

где - М_п = 2М_ном. =2=145,7 Нм - пусковой момент;

- J = 2J_дв =20,07=0,14- суммарный момент инерции системы;

t_п = 0,14301,8/145,7-72,89=0,5с,

Для расчета параметров структурной схемы необходимо произвести расчеты параметров Т-образной схемы замещения АД:

R₁ = 0,28Ом,

R₂ = 0,1Ом,

R_m = 4,5Ом,

L₁ = 0,053Гн,

L₂ = 0,053Гн,

L₁₂ = 0,051Гн,

х₁ = 0,57Ом;

х_m = 16,3Ом

Здесь Ї эквивалентная постоянная времени статора;

Ї эквивалентное сопротивление цепи статора;

Ї эквивалентная индуктивность цепи статора;

L_э = 0,053 - 0,051²/0,051 = 0,004Гн,

R_э = 0,28 + 0,1(0,051²/0,053²) = 0,38Ом,

Т_э = 0,004/0,38 = 0,001с.

3.3 Определение параметров и структуры управляющего устройства

Идеальным регулятором для объекта управления гидросистемы типа интегратор является дифференциальное звено. Которое физически не реализуемо и заменяется П регулятором. Мат описание гидросети как интегрирующим звеном обусловлено тем, что при отсутствии расхода давление в сети остается постоянным т.к. на выходе насоса стоят обратные клапаны. Если бы клапана не было, то давление в сети падало после отключения до нуля что привело бы к повторному запуску насоса для восстановления давления (частое включение). Т.к электродвигатель рассчитан на определенное включение в час (не более 20 включений в час) ситуация приводит к выходу насоса из строя.

4. АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ И СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИВОДА

4.1 Разработка имитационной модели электропривода

На основании математической модели разрабатываем имитационную модель в пакете MATLAB. Благодаря встроенным математическим функциям, описывающим разные электрические процессы, путём задания параметров двигателя и преобразователя можно смоделировать объект и систему управления.

Объект управления параметрируется в соответствии с расчётными данными и выбранными элементами. Результаты моделирования выводятся на специальный дисплей.

К схеме моделирования системы ПЧ-АД, с входным сигналом задания скорости, данной в “Теории электропривода” В.И. Ключева, добавим регулятор давления в виде интегрирующего звена, на вход которого поступает разность сигналов задания и обратной связи по давлению, а на выходе задание скорости:

Рисунок 6.1 - Имитационная модель электропривода

Ниже приведены схемы блоков, использованных для построения модели:

Задатчик интенсивности

Рисунок 6.2 - Задатчика интенсивности

Рисунок 6.3 - Блок гидросистемы

Рисунок 6.4 - Блок преобразователя частоты и АД

4.2 Расчет и определение показателей качества переходных процессов

Анализ графиков переходных процессов дает возможность оценить работу автоматизированного электропривода и устранить возможные недостатки разработки и настройки имитационной модели. Основными показателями переходных процессов являются время стабилизации параметров системы, перерегулирование, колебательность процесса. Результирующим графиком модели, по которому оценивается ее работа будет график напора рисунок 6.5, он характеризуется большим временем переходного процесса 10 секунд, обусловленного большим временем стабилизации сети, по этой причине удалось избегнуть перерегулирования и колебательности. График угловой скорости рисунок 6.6 отражает работу двигателя при пуске насоса, он так же из-за большого времени переходного процесса, 10 секунд, не имеет перерегулирования и колебательности. График 6.9 отображает момент двигателя при пуске, перерегулирование составляет 78%, время переходного процесса 10 секунд, колебательность отсутствует.

Рисунок 6.5 - График давления на выходе гидросистемы



Рисунок 6.6 - График скорости двигателя

Рисунок 6.7 - График момента статичесого



Рисунок 6.8 - График расхода

Рисунок 6.9 - График момента электромагнитного



Рисунок 6.10 - График тока при пуске

Размещено на Allbest.ru