Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Технологическая часть

1.1 Описание промышленной установки

1.2 Анализ технологического процесса

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

1.4 Расчет и построение механической характеристики механизма

2. Выбор системы электропривода

2.1 Литературный обзор по теме курсового проекта

2.2 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу

2.3 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода

3. Выбор комплектного преобразователя и датчиков координат электропривода

4. Разработка математической модели автоматизированного электропривода

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 могут механизмов 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 курсового проекта является проектирование автоматизированного электропривода насоса автомобильной газозаправочной станции (АГЗС). Данная система должна работать как при нормальных, так и при аварийных режимах.

В последние годы XX века газовое оборудование на автомобилях было редкостью, а потому и само понятие АГЗС было достаточно редким. Сегодня их число в нашей стране измеряется десятками, а тенденции таковы, что каждый год появляется еще несколько новых заправок. Из-за роста численности автотранспортных средств на газовом оборудовании наблюдается тенденция к увеличению розничной торговли газом. Сначала переводили на газ государственный грузовой транспорт, за ними потянулись и автолюбители. Причины массового перехода на альтернативные виды топлива просты и понятны. Они не только экологически более чистые. Они при этом более дешевые. Заправка на АГЗС с учетом установки достаточно дорогого оборудования окупается за период от полугода до года эксплуатации автомобиля. Окупаемость заправок на АГЗС зависит исключительно от интенсивности езды.

Будущее АГЗС пока видится весьма радужным и перспективным. Хочется верить, что будут даже выдаваться субсидии на развитие этой отрасли по аналогии с Европой, где подобная практика является рядовой и обоснованной, так как направлена на сохранение здоровья окружающей среды, двигателя автомобиля, здоровья и кошелька водителя.

автоматизированный электропривод насос

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Описание промышленной установки

АГЗС предназначена для заправки сжиженным газом пропан-бутан баллонов, установленных на автомобилях. Заправка автомобилей осуществляется при помощи топливораздаточной колонки, отмеривающей в литрах количество заправленного в баллон автомобиля газа.

Техническое описание:

- вид топлива - сжиженный газ пропан-бутан;

- номинальный объем емкости - 9,95 м³;

- полезный объем емкости (при наполнении 85%) - 8,46 м³;

- производительность заправки - 50 л/мин;

- максимальное давление нагнетания насоса -1,2 МПа;

- мощность электродвигателя насосов - 3, 0 кВт.

АГЗС состоит из:

* двух емкостей (объемом 9,95 м³ каждая),

* двух насосных агрегатов с насосами SKC 4.08 и электродвигателями,

* ТРК сжиженного газа, оснащенной шлангом, работающим под давлением, оканчивающимся пистолетом для заправки автомобилей,

* запорной и предохранительной арматуры, а также трубопроводов, соединяющих емкости с насосами и ТРК.

Насосы типа SKC и SKD - вращательные, циркуляционные с боковыми каналами и роторами открытыми и с ротором центробежным на первой ступени, служат главным образом качанию жидкости под высоким давлением (например, “жидких газов”), на отдельных частях насосов используются материалы, устойчивые к коррозии. Насос типа SKC - может работать с притоком и как всасывающий насос после соответствующей установки поворотного вентиля на всасывающем канале и заливания жидкостью насоса и всасывающей структуры. Насос типа SKD - самозасасывающий, требует только заливки самого насоса. Насосы типа SKC и SKD могут работать в разных местах распределения, при условии исполнения технических требований на притоке до насоса. Могут также применяться для качания „жидких газов", топлива, конденсатов в дистилляционной колонне и выпарном аппарате, для заливания котла. Эти насосы отличаются от нормальных наносов самовсасывающих типа “SK” конструктивно и тем, что имеют меньшие высоты подъема насоса.

Допускается качание жидкости с температурой -40 °C до +180 °С (подбирая соответствующее конструкционное исполнение), с плотностью до 1300кг/м³ и вязкостью до 150 мм²/с, загрязнённых постоянными частицами величиной до 0,5 мм в небольшом количестве. Насосы могут работать с двигателями с частотой тока 50-60 Гц. Положительные качества этих насосов в следующем: SKC - возможность качания жидкости с минимальным превышением давления над точкой кипения, SKD - возможность употребления в экстремальных условиях всасывания-самовсасывания без необходимости заливания всасывающего канала жидкостью. Насосы SKC и SKD - имеют повышенную гравитационную устойчивость. Эти положительные качества имеют значительное влияние на уменьшение расходов на изготовление оборудования и его рациональное размещение.

Насосы типа SKC и SKD по всасывающей стороне имеют осевой впуск с увеличенным диаметром, а стороне нагнетательной впуск, выставленный вертикально вверх. Первая ступень от всасывающей стороны состоит из центробежного ротора и руля, остальные ступени являются типичными для циркуляционного насоса с боковыми каналами и открытыми роторами.

Насосы от нагнетательной стороны имеют закрытый шарикоподшипник и фронтальное уплотнение, гарантирующее полную герметизацию. В зависимости от назначения и рода изготовления конструкционного насоса фронтальное уплотнение может быть смазанное и смоченное каченной жидкостью или жидкостью, подведенной снаружи. На всасывающей стороне в руле находится подшипник качения - смазанный и смоченное каченной жидкостью.

В зависимости от назначения насоса применяется между ступенями подкладки с жесткостью 0,11 мм. или специальную плотную массу для насосов с жидкими углеводородами (пропан-бутан, бензины, растворители). Последние насосы имеют открытые роторы с жесткостью меньше, чем 0,1 мм., в отличие от насосов с подкладками.

Насосы для качания „жидких газов" подвергаются специальным тестам на плотность и механическую выносливость - они окрашены в белый цвет с красной полоской по обе стороны насоса.

Для насосов SKC и SKD направление оборотов - левое, смотря со стороны двигателя.

В конструктивном обозначении цифра, которая находится после буквенного символа SKC или SKD, определяет тип величины насоса. Эта цифра обозначает порядковую величину номинального насоса. Тип величины определяет количество ступеней с боковым каналом насоса (количество открытых роторов за исключение центробежного ротора), что обозначается цифрами от 02 до 08. Количество ступеней оказывает влияние только на высоту подъема насоса - X и требуемую мощности на валу - P.

Так как в рассматриваемой установке используется насос SKC 4.08 , то далее приведем характеристику работы насосов данного типа, основные характеристики и габаритные размеры всей установки.

Таблица 1. Характеристика работы насосов SKC 4.08.

Q, м3/ч л/мин	1,8	2,5	3,5	4,5
	30	42	58	75
Тип величины насоса	h	P	h	P	h	P	h	P
SKC 4.08	208,1	4,86	167,3	4,1	114,2	2,93	59,2	2,07

h - высота подъёма насоса, [м]; P - мощность на валу насоса, [кВт].

В таблице представлены числовые значения, относящиеся к воде при температуре T= 20°C; скорость вращения двигателя - n=1450 об./мин.

1.2 Анализ технологического процесса

При описании технологической установки используются некоторые термины, являющиеся специфическими для данного типа установок:

насос - гидравлическая машина, создающая напорное перемещение жидкости при сообщении ей энергии,

насосный агрегат (НА) - совокупность насоса, электропривода и передаточного механизма (муфта, редуктор, шкив),

насосная установка (НУ) - комплекс оборудования обеспечивающий требуемый режим работы насосов одного или нескольких насосных агрегатов. НУ состоит из одного или нескольких насосных агрегатов, трубопроводов, запорной и регулирующей арматуры, контрольно-измерительной аппаратуры, а также аппаратуры управления и защиты,

насосная станция (НС) - сооружение, включающее в себя одну или несколько насосных установок, а также вспомогательные системы и оборудование.

Насосные установки подразделяются на водопроводные, канализационные, мелиоративные, теплофикационные и др.

Насосные установки ежегодно расходуют около 20% электроэнергии, вырабатываемой энергосистемами республики. В настоящее время большая часть насосных установок работают неэкономично. Потери электроэнергии составляют 10...15%, а иногда достигают 20...25% потребляемой электроэнергии.

Применение экономичных способов регулирования, основанных на изменении частоты вращения рабочих колес насоса, позволяет значительно сократить потери электроэнергии в насосных установках. В современных насосных установках изменение частоты вращения насосов осуществляется с помощью автоматизированного электропривода (АЭП).

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 и на выходе V_H определятся соответственно 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 определяется по формуле:

, (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:

.

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 максимальную подачи Q_макс Ї 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 и 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.

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 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 при Q=Q_iФ.

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

Кинематическая схема механической части электропривода изображена на рис.1.6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.6. Кинематическая схема электропривода: М - приводной асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором; Н - вращательный циркуляционный насос типа SKC 4.08.

Упругими свойствами соединительной муфты и валов можно пренебречь ввиду большой жесткости механической системы. Тогда на основании кинематической схемы (рис. 1.6.) составим одномассовую расчетную схему механической части электропривода, представленную на рис. 1.7.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.7. Расчетная схема механической части электропривода.

В случае приведения к валу двигателя суммарный приведенный момент инерции электропривода I может быть выражен общей формулой:

, (1.1)

где I_дв - момент инерции ротора двигателя;

- коэффициент, учитывающий момент инерции вращающихся частей передаточного механизма (=1,1 1,3 если не известен I_муф );

I_муф - момент инерции соединительной муфты и других частей (тормозные диски и пр.);

I_м - момент инерции вращающихся частей механизма;

т - масса поступательно движущихся частей механизма;

j - передаточное число редуктора;

- радиус приведения.

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

Суммарный приведенный к валу двигателя момент статической нагрузки М_с можно в общем виде записать:

, (1.2)

где q , р - число внешних моментов М и сил F_j , приложенных к системе, кроме электромагнитного момента двигателя.

1.4 Расчет и построение механической характеристики механизма

Для построения технологических характеристик необходимо использовать условие устойчивой работы магистрали и турбомеханизма:

, (3.38)

Напор, соответствующий нулевой подаче, определим по формуле:

, м;

где С - коэффициент, определяемый как:

,

где Н₁ = 59,2 м и Q₁ = 4,5 м³/ч - некоторые точки на характеристике насоса;

Номинальный напор найдем из выражения:

,

где - удельный вес: , ,

- давление нагнетания насоса.

,

,

.

Подставим начальные условия в (4.33):

. (3.39)

В соответствии с номинальной мощностью из справочника выбираем электродвигатель со следующими параметрами:

Тип двигателя - 4А100S4У3;

; ; ;; ;

; ; ; ;;

; ; ; ; .

Номинальный ток статора:

.

Приведём значения сопротивлений к абсолютным значениям:

;

;

;

;

;

;

Номинальная скорость вращения двигателя:

,

.

Номинальный вращающий момент двигателя:

.

Выразим Q через w из (4.34). Получим зависимость :

. (3.40)

Из уравнения (3.39) можно также выразить w через Q:

. (3.41)

Уравнение сети при имеет вид:

. (3.42)

Если в (3.42) вместо H_маг подставить Н_т/м и приравнять к (3.39), то получим зависимость H=f(Q) насоса при данной скорости w.

. (3.43)

Пример расчета для подачи Q=2,5 м³/ч.

,

Построим характеристики H=f(Q) для каждой w_i . Данные расчетов занесем в таблицу 3.3. В эту же таблицу занесем числовые значения характеристики магистрали.

Таблица 3.3 - Характеристика H=f(Q).

Qi, м3/ч	0	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5
Hмаг	0	2,355	9,42	21,2	37,7	58,875	84,78	115,4	150,7	190,75
Hi, м	w=214,3	253,80	253,02	250,69	246,80	241,36	234,36	225,80	215,69	204,02	190,80
	w=166,6	153,39	152,61	150,28	146,39	140,95	133,95	125,39	115,28	103,61	90,39
	w=148,7	122,20	121,42	119,09	115,20	109,76	102,76	94,20	84,09	72,42	59,20	44,42
	w=119	78,26	77,48	75,15	71,26	65,82	58,82	50,26	40,15	28,48	15,26
	w=85,7	40,59	39,81	37,48	33,59	28,14	21,14	12,59	2,48	-9,19	-22,41

Графики, построенные по таблице 3.3 приведены на рисунке 3.4.



Рисунок.3.4.- Характеристики H(Q) при изменении w (3-9), характеристика магистрали Н_маг(Q) (1), характеристика насоса (2).

Суммарные потери рассчитываются по следующей формуле:

, (3.45)

где - механические потери;

- гидравлические потери.

При Н_ст=0 получаем . Тогда формула (3.45) примет вид:

. (3.46)

Вращающий момент равен:

(3.47)

При подстановке (3.46) в (3.47) получим:

, (3.48)

Номинальная мощность насоса определяется по формуле:

, (3.49)

Номинальный момент определяется так:

,

Рассчитаем значения М, для Q_i по формулам (3.40) и (3.41). Приведем пример расчета для расхода равного Q=2,5 м³/ч. Все расчеты занесем в таблицу 3.4.

,

,

,

.

Таблица 3.4 - Расчетные данные характеристик

1	2	3	4	5
0,00	0	0,00	0,66	97,55
23,81	0,5	2,36	0,87	102,55
47,62	1,0	9,42	1,50	137,61
71,43	1,5	21,20	2,55	232,75
95,24	2,0	37,69	4,02	418,03
119,06	2,5	58,89	5,91	723,50
142,87	3,0	84,80	8,23	1179,19
166,68	3,5	115,42	10,96	1815,15

Графики ,, , , построенные по значениям из табл.3.4, показаны на рисунках 3.5, 3.6, 3.7, 3.8 соответственно.

Рисунок.3.5. - Зависимость .



Рисунок.3.6. - Зависимость .

Рисунок.3.7 .- Зависимость .

Рисунок.3.8. - Зависимость .

2. ВЫБОР СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1 Литературный обзор по теме курсового проекта

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.

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.

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-регулирующую 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.

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 наиболее экономично, так как при снижении производительности за счет уменьшения скорости вращения, 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%.

2.2 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу

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 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, 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 понижение 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

Полученная функциональная схема представлена на рисунке 2.1:

Рисунок 2.1 - Функциональная схема электропривода. 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;

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.

3. ВЫБОР КОМПЛЕКТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И ДАТЧИКОВ КООРДИНАТ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Исходя из мощности двигателя P_HOM=3 кВт выбираем частотный преобразователь Mitsubishi FR-S540 со следующими техническими характеристиками:

- диапазон мощностей: 0.4-3.7 кВт;

- питание: трехфазная сеть ~380В (50/60 Гц);

- диапазон выходных частот: 0.5-120 Гц;

- встроенный интерфейс RS485;

- вольт / частотное управление;

- 15 программируемых установок скорости;

- перегрузка по току 200 %;

- встроенный ПИД-регулятор;

- автоматический рестарт;

- два аналоговых входа 0-20 мА и 0-10 В;

- встроенный пульт управления.

Технологическим параметром в данной системе является давление жидкости, поэтому необходимо выбрать датчик давления жидкости.

Выбираем датчик давления Grundfos MBS3000 (0..16 бар, 4..20мА). Датчики давления предназначены для непрерывного преобразования избыточного и абсолютного давления, разности давлений, разрежения, избыточного давления-разрежения жидкостей и газов в унифицированные токовые выходные сигналы. Датчик давления предназначен для работы в системах контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивает непрерывное преобразование разности давлений, а также, при смещении настройки датчиков преобразование разрежения и избыточного давления-разрежения жидких и газообразных сред в унифицированный сигнал постоянного тока и частотный выходной сигнал.

Измерение проводится косвенным методом схема которого представлена на рисунке 3.2

Рис.3.2 Косвенный метод измерения давления.

4. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

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.

Математическое описание гидросети.

Напор на выходе насоса определяется выражением:

.

Структурная схема имеет вид:

Рисунок 4.1 - 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.

,

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. 4.2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4.2 - Структурная схема электропривода.

Коэффициент обратной связи по давлению к_од =1,25 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;

.

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:

, (4.2)

. (4.3)

Подставив в формулу 4.3 коэффициенты получим:

. Таким образом регулятор напора представляет собой п-регулятор с постоянной времени Т_РН равной двум постоянным времени задатчика интенсивности _и, т.е. Т_РН = 20 с. В связи с тем, что при моделировании коэффициент регулирования системы становится неустойчивым, принимаем коэффициент усиления равным единице.

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, равный:

.

,

.

С достаточной точностью можно принять к=2,05.

Структурная схема контура регулирования давления:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4.3 - Структурная схема контура 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 % ). В этом случае передаточная функция регулятора давления примет следующий вид:

, ( 4.4)

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:

,

.

Индуктивность статора:

Гн. (3.30)

Индуктивность ротора:

Гн. (3.31)

Взаимная индукция:

Гн. (3.32)

Эквивалентное сопротивление цепи статора:

Ом. (3.33)

Эквивалентная индуктивность цепи статора:

Гн. (3.34)

Эквивалентная постоянная времени статора:

Определим время пуска двигателя:

,

где М_п - пусковой момент двигателя:

М_П = 2М_ном. =220,175=40,35 Нм;

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

t_п = 0,14301,8/145,7-72,89=0,5с,

Размещено на Allbest.ru