Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Анализ методов управления электроприводом насосных станций и постановка задачи исследования

• 1.1 Описание технологического процесса и принцип работы оператора
• 1.2 Общие сведения и патентно-информационный обзор по насосным установкам
• 1.3 Режимы работы насосной установки
• 1.4 Способы регулирования насосной установки
• 1.5 Основные сведения о частотно-регулируемом электроприводе. Скалярное и векторное управление асинхронным двигателем
• 1.6 Насосная станция с приводом на базе вентильного электродвигателя. Преимущества использования регулируемого электропривода в технологических процессах
• 1.7 Требования к автоматизированному электроприводу, системе управления насосной установки и обоснование выбора системы электропривода
• 1.8 Цели и задачи исследования
• 2. Выбор систем электропривода насосных станций и расчет его параметров
• 2.1 Структура частотного преобразователя
• 2.2 Принцип работы преобразователя частоты
• 2.3 Оценка влияния преобразователя частоты на питающую сеть. Вопросы качества электроэнергии
• 2.4 Расчетная схема механической части электропривода
• 2.5 Расчет нагрузок механизмов установки
• 2.6 Выбор электродвигателя и расчет его мощности
• 2.7 Выбор преобразователя и устройств автоматизации
• 3. Исследование частотно-управляемого электропривода насосной станции в среде MATLAB
• 3.1 Исследование модели асинхронного двигателя в и его математическое описание
• 3.2 Виртуальная модель асинхронного двигателя в среде MATLAB
• 3.3 Математическое описание системы частотно - регулируемый асинхронный электропривод - центробежный насос
• 3.4 Математическая модель центробежного насоса
• 3.5 Моделирование системы ПЧ - АД - центробежный насос в MATLAB
• 4. Безопасность жизнедеятельности
• 4.1 Анализ условий труда в насосной станции
• 4.2 Расчёт искусственного освещения
• 4.3 Расчет зануления
• 5. Экономическая часть
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

Рациональное использование водных и топливно-энергетических ресурсов, а также охрана окружающей среды определили направление развития систем водо - и теплоснабжения. При проектировании новых и реконструкции существующих систем водоснабжения все чаще предусматривается создание систем бессточного водопользования на базе замкнутых циклов. Основными энергетическими звеньями систем водоснабжения, обеспечивающими перемещение различных жидких сред по водопроводам, являются насосные станции.

Задачей настоящего дипломного проекта является проектирование автоматизированного электропривода насосной установки системы горячего водоснабжения, т.е. насосной станции горячего водоснабжения (теплового пункта).

Значительная экономия топливно-энергетических ресурсов достигается при централизации теплоснабжения жилых, промышленных и общественных зданий в городах и других населенных пунктах. Рациональная концентрация и централизация производства горячей воды и пара для отопительных и технологических нужд, постепенная ликвидация нерентабельных мелких котельных, строительство ТЭЦ и крупных районных котельных - основные пути развития централизованного теплоснабжения. С этим развитием связано строительство протяженных и широко разветвленных тепловых сетей с многочисленными тепловыми пунктами разнородных потребителей жилого и промышленного секторов.

Теплоснабжение народного хозяйства и населения является одной из основных подсистем энергетики страны. Назначение системы теплоснабжения состоит в обеспечении потребителей необходимым количеством теплоты в виде пара и горячей воды требуемых параметров.

В системах централизованного теплоснабжения (СЦТ) осуществляются следующие технологические процессы: производство и отпуск теплоты, транспортирование и использование теплоносителя.

Производство и отпуск теплоты осуществляются в теплоподготовительных установках источников теплоты - ТЭЦ и городских или промышленных котельных. В источниках теплоты используют органическое или ядерное топливо. Основное назначение источников теплоты - обеспечение экономичных режимов отпуска теплоты в тепловую сеть, надежная, бесперебойная и экономичная работа их агрегатов.

Транспортирование теплоносителя производится по тепловым сетям, соединяющим источник теплоты с потребителями. К тепловым сетям относят теплопроводы и сооружения на них - сетевые станции (подкачивающие, смесительные, дроссельные). СЦТ городов являются, как правило, водяными системами, где в качестве теплоносителя применяется вода.

Водяные системы теплоснабжения могут быть закрытыми и открытыми. В закрытых системах циркулирующая в тепловой сети вода используется только как теплоноситель, из сети для потребления она не отбирается; в открытых системах теплоноситель (вода) разбирается у потребителей для нужд горячего водоснабжения.

Для теплоснабжения городов от источников теплоты до данной группы потребителей, как правило, используются двухтрубные тепловые сети.

Назначение тепловых сетей - надежная, бесперебойная транспортировка теплоносителя при минимальных потерях теплоты и воды.

Использование теплоносителя (отпуск теплоты) осуществляется в теплоприемниках потребителей: в системах отопления, вентиляции, горячего водоснабжения. При отпуске теплоты потребителям осуществляется поддержание по заданному закону параметров нагреваемой среды.

В связи с возрастающей стоимостью электроэнергии тема данного проекта является актуальной.

1. Анализ методов управления электроприводом насосных станций и постановка задачи исследования

1.1 Описание технологического процесса и принцип работы оператора

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.

Теплофикационные насосные станции (тепловые пункты) предназначены для подачи потребителям горячей воды требуемых параметров.

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).

Поступление горячей воды в систему хозяйственно-бытового потребления и характер распределения ее суточных расходов, неравномерны и зависят от степени благоустройства зданий и от числа жителей населенного пункта.

В открытых системах теплоснабжения жилых районов между центральным тепловым пунктом и тепловыми пунктами зданий прокладывается четырехтрубная тепловая сеть: два трубопровода - подающий и обратный - для подачи теплоты в системы отопления зданий и два трубопровода - подающий и циркуляционный - для подачи воды в системы горячего водоснабжения. Схема такого теплового пункта представлена на рисунке 1.1.

Режим работы насосной установки подачи горячей воды определяется режимом водопотребления и наличием напорно-регулирующих сооружений системы водоснабжения. В таблице 1.1 приведено примерное распределение среднесуточного расхода горячей воды по часам суток при среднем секундном их расходе 20 л/с и общем коэффициенте неравномерности водоотведения К_общ=1,3 [1]. Если в сети водопотребителя нет регулирующей емкости, то для обеспечения потребителя водой в час максимального водопотребления (по таблице от 9 до 10 ч) часовую подачу установки необходимо принимать по максимуму, т.е. равной 5,6% объема суточного водопотребления.

Рисунок 1.1 - Схема теплового пункта с непосредственным водозабором на горячее водоснабжение

1 - грязевик; 2 - датчик расхода; 3 - теплосчетчик с измерением расхода в подающем и обратном трубопроводах; 4 - трехходовой смесительный клапан регулятора температуры воды; 5 - регулятор температуры воды;

6 - циркуляционные насосы; 7 - обратные затворы; 8 - водомеры.

Общую подачу и мощность насосной станции можно уменьшить, если ввести в сеть потребителей водонапорную башню с регулирующей емкостью, но, в отдельных случаях, регулирующая емкость напорной башни может получиться непомерно большой, а ее строительство окажется экономически нецелесообразным.

Оборудование насосных установок центробежными насосами, обладающими возможностью саморегулирования, позволяет использовать системы горячего водоснабжения без регулирующих емкостей.

Насосная станция системы горячего водоснабжения состоит из входного коллектора, к которому через щитовой затвор подведены всасывающие линии двух насосов (тип К90/20). Напорные линии насосов объединены напорным коллектором. Один из насосов является основным, второй - аварийным. Функции насосов периодически меняются. Насосную станцию с потребителями соединяют напорные водоводы.

Таблица 1.1- Примерное распределение среднесуточного расхода горячей воды по часам суток при среднем секундном расходе 20 л/с и коэффициенте неравномерности водоотведения К_общ=1,3

Часы суток	Часовой расход,%	Часы суток	Часовой расход,%
0.1	3	12.13	4,7
1.2	2,5	13.14	4,1
2.3	2,5	14.15	4,1
3.4	2,6	15.16	4,4
4.5	3,5	16.17	4,7
5.6	4.1	17.18	4,1
6.7	4,5	18.19	4,5
7…8	4,9	19.20	4,5
8.9	4,9	20.21	4,5
9.10	5,6	21.22	4,8
10.11	4,9	22.23	4,6
11…12	4,7	23…24	3,3

По заданию на данной насосной установке теплового пункта системы горячего водоснабжения используем насос типа К (горизонтальный центробежный консольный насос). Насосы типа К предназначены для подачи чистой воды и других чистых жидких сред температурой до 105С. Приводятся в движение асинхронным двигателем типа 4А. Технические характеристики насоса приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2- Технические характеристики насоса типа К90/20

Подача м3/ч л/с	60	80	100
	16,7	22,2	27,8
Напор, м	25,7	22,8	18,9
Частота обращения рабочего колеса, об/мин	2900
Мощность насоса, кВт	5,6	6,3	6,7
КПД насоса, %	76	79,5	77
Допустимая вакуумметрическая высота всасывания, м	5,4	5,3	4,2
Диаметр рабочего колеса, мм	148

Система автоматического управления может работать как в ручном, так и в автоматическом режиме. При работе системы в ручном режиме функция оператора заключается в ручной коммутации насосов в зависимости от напора жидкости в сети. Напор жидкости в сети в этом режиме может контролироваться по датчикам. Считаем, что температура жидкости контролируется автоматически на центральном тепловом пункте.

При работе системы в автоматическом режиме функция оператора заключается в визуальном контроле исправности системы управления.

1.2 Общие сведения и патентно-информационный обзор по насосным установкам

Работа насосных установок электроэнергии. В современных отечественных и зарубежных системах регулирование режимов работы насосных установок осуществляется посредством автоматизированного регулируемого электропривода. В таких системах регулируемым параметром является напор жидкости. Современное развитие техники позволяет поддерживать заданный напор с большой точностью. Однако высокая точность влечет за собой непрерывное изменение частоты вращения электродвигателя насосного агрегата и вследствие этого способствует возникновению знакопеременных нагрузок на отдельные элементы насосного агрегата (эластичные муфты, соединяющие насос с двигателем и др.), ведущих к преждевременному их износу. Поэтому в ряде случаев приходится устанавливать повышенную зону нечувствительности системы регулирования, что понижает точность стабилизации напора.

В качестве регулируемого электропривода насосной установки в системе горячего водоснабжения предусматривается использование одного из типов электропривода, в том числе: индукторных муфт скольжения (ИМС) с питанием возбуждения от тиристорных блоков БУ-3509 и им подобных; частотных преобразователей серии ПЧТ, ПЧР-2 SAMI (фирма Stromberg) и других типов; электроприводов по схеме АВК на базе преобразователей ТДП-2 и станций управления ШДУ; электроприводов на базе вентильных электродвигателей с преобразователями ПЧВН, ПЧВС.

Стабилизация напора жидкости осуществляется за счет того, что при уменьшении водоразбора напор в сети увеличивается, а частота вращения электродвигателя насоса в результате действия системы регулирования уменьшается. При увеличении водопотребления, наоборот, напор жидкости в сети падает, а частота вращения увеличивается. Основная цель системы стабилизации напора жидкости в системе трубопроводов заключается в поддержании напора на заданной отметке.

В системах стабилизации напоров в сети, необходимо предусматривать включение дополнительных нерегулируемых насосов при существенных увеличениях притока или водопотребления и отключение их при уменьшении.

Регулируемым приводом должны оснащаться наиболее крупные насосные агрегаты с наиболее пологой характеристикой. В случае использования однотипных насосов во избежание образования мертвых зон рабочие колеса нерегулируемых насосов должны иметь диаметры, меньшие регулируемых. При равенстве диаметров и работе регулируемого насоса в режиме максимальных подач с повышенной частотой вращения (в случае применения частотного электропривода) он должен быть укомплектован двигателем повышенной мощности в соответствии с рекомендациями.

Несмотря на явные преимущества, регулируемый электропривод еще не получил широкого распространения в насосных установках. В настоящее время сложились условия, требующие его более широкого использования. Бурное развитие полупроводниковой техники позволило создать на базе статических преобразователей надежные и сравнительно недорогие регулируемые электроприводы. Кроме того, мировой энергетический кризис наглядно продемонстрировал подлинную ценность энергетических ресурсов и стимулировал меры по их рациональному расходованию. В результате этого расширились работы по исследованию, разработке и созданию насосных установок, оснащенных автоматизированным регулируемым электроприводом. Ниже приводится описание некоторых, наиболее характерных установок.

1.3 Режимы работы насосной установки

Режимы работы насосной установки существенно зависят от изменения режимов водопотребления.

Режим водопотребления обычно характеризуется суточными, недельными и т.п. графиками водопотребления. На рисунке 1.2 представлен примерный суточный график водопотребления небольшого населенного пункта.

Рисунок 1.2 - Суточный график водопотребления.

Графики водопотребления характеризуются коэффициентами неравномерности. Максимальный коэффициент неравномерности:

K_max = Q_max / Q_cp, (1.1)

где Q_max- максимальное водопотребление;

Q_cp - среднее значение водопотребления.

Минимальный коэффициент неравномерности:

K_min= Q_min / Q_cp, (1.2)

где Q_min-минимальное водопотребление.

Диапазон колебания водопотребления характеризуется отношением

= Q_min/ Q_max, (1.3)

которое может быть также выражено через коэффициенты максимальной и минимальной неравномерности

= К_min / К_max (1.4)

В любой системе водоподачи имеются утечки и непроизводительные расходы, значения которых достигают во многих случаях 15 - 20% общей подачи. Следовательно, подача насосной установки должна быть больше водопотребления именно на это значение.

При стабильном водопотреблении установки работают с постоянными подачей и давлением или напором, которые между собой связаны соотношением:

P_пол = H*Q г g, (1.5)

где

Н-напор, м; Па;

Q-подача;

g- ускорение свободного падения, м/с².

С ростом водопотребления подачу приходится увеличивать. При этом потери давления в трубах увеличиваются. Чтобы компенсировать эти потери, следует увеличить давление, развиваемое насосной установкой. При уменьшении водопотребления подача и давление должны быть уменьшены.

1.4 Способы регулирования насосной установки

Регулирующие воздействия могут носить конструкторско-технологический характер или оперативно-эксплуатационный.

К конструкторско-технологическим воздействиям на характеристики системы насос-трубопровод следует отнести:

- выбор геометрических и технологических параметров самого трубопровода в соответствии с техническим заданием;

- подбор параметров насоса;

- обточка колеса насоса с целью изменения его характеристики;

- замена колеса насоса с той же целью.

Все эти мероприятия выполняются на стадии проекта, монтажа и наладки трубопровода, они не могут быть использованы оператором в процессе ежедневной эксплуатации трубопровода, поэтому мы рассматривать их далее не будем.

В настоящее время известны четыре метода оперативного регулирования режимов работы водопроводов:

- регулирование методом последовательного (параллельного) включения насосов;

- регулирование методом дросселирования трубопровода;

- регулирование методом перепуска части подачи насоса на его вход;

- регулирование изменением частоты вращения приводного электродвигателя.

На рисунке 1.3 приведены (в о.е.) зависимости потребляемой насосом мощности Р при нерегулируемом приводе и Р_Н при регулируемом приводе от подачи (разбора) воды. Кривая Р, определяемая графической разностью, характеризует - мощность, сэкономленную в случае установки регулируемого привода. В зависимости от статического напора Н_С* экономия электроэнергии может составлять до 30% от установленной мощности двигателя.

Рисунок 1.3 - Зависимости потребляемой насосом мощности

1 - мощность потребляемая нерегулируемыми насосами; 2 - мощность потребляемая регулируемыми насосами; 3 - мощность, сэкономленная при установке регулируемого привода.

1.5 Основные сведения о частотно-регулируемом электроприводе. Скалярное и векторное управление асинхронным двигателем

1.5.1 Управление асинхронным электродвигателем в частотном режиме до недавнего времени было большой проблемой, хотя теория частотного регулирования была разработана еще в тридцатых годах. Развитие частотно-регулируемого электропривода сдерживалось высокой стоимостью преобразователей частоты. Появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микропроцессорных систем управления позволило различным фирмам Европы, США и Японии создать современные преобразователи частоты доступной стоимости. Известно, что регулирование частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять при помощи различных устройств: механических вариаторов, гидравлических муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты. Применение первых четырех устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости, неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации. Статические преобразователи частоты являются наиболее совершенными устройствами управления асинхронным приводом в настоящее время.

Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту f1 питающего напряжения, можно в соответствии с выражением

.

неизменном числе пар полюсов p изменять угловую скорость магнитного поля статора. Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью. Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики. Для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя - коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности - необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение.

Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Mс. При постоянном моменте нагрузки Mс = const напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте:

Для вентиляторного характера момента нагрузки это состояние имеет вид:

При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости:

Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование частоты и напряжения на статоре асинхронного двигателя.

При скалярном управлении по определенному закону изменяют амплитуду и частоту приложенного к двигателю напряжения. Изменение частоты питающего напряжения приводит к отклонению от расчетных значений максимального и пускового моментов двигателя, к.п.д., коэффициента мощности. Поэтому для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо с изменением частоты одновременно соответственно изменять и амплитуду напряжения.

В существующих преобразователях частоты при скалярном управлении чаще всего поддерживается постоянным отношение максимального момента двигателя М_макс к моменту сопротивления на валу М_с. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочная способность двигателя.

При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.

Основная особенность при регулировании АД заключается в том, что необходимо изменять напряжение U на статоре как в функции момента статических M_с сопротивлений, так и в соответствии с изменением частоты.

Таким образом, при скалярном методе управления зависимость напряжения питания от частоты определяется характером нагрузки на валу электрического двигателя. При этом для постоянного момента нагрузки всегда поддерживается отношение U/f = cоnst, и, по сути, обеспечивается постоянство максимального момента двигателя. Вместе с тем на малых частотах, начиная с некоторого значения частоты, максимальный момент двигателя начинает падать. Для компенсации этого и для увеличения пускового момента используется повышение уровня напряжения питания.

Используя зависимость максимального крутящего момента от напряжения и частоты, можно построить график для U от f для любого типа нагрузки.

Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей.

Скалярное управление достаточно для большинства практических случаев применения частотно - регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40.

Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя.

Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме амплитуды и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление».

Для управления вектором тока, а, следовательно, положением магнитного потока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток.

Менее дорогим является частотно - регулируемый электропривод с векторным управлением без датчика обратной связи скорости, однако векторное управление при этом требует большого объема и высокой скорости вычислений от преобразователя частоты.

Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна.

Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости - сотые доли процента, точность по моменту - единицы процентов.

В синхронном частотно-регулируемом приводе применяются те же методы управления, что и в асинхронном.

Управляющая часть ПЧ выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита). При этом на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (и_вых= vаr, ѓ_вых = vаr).

Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании скорости для различных объектов управления имеют вид представленный на рисунке 1.2.



Рисунок 1.2 - Механические характеристики асинхронного двигателя

Итак, при объектах управления с постоянным моментом статической нагрузки M_c = Const, напряжение источника питания должно изменяться пропорционально его частоте U/f = const в объектах управления, требующих регулирования скорости при постоянстве мощности P_c=Const закон управления, будет: U/f = const, при вентиляторной нагрузке закон управления соответствует U/f² = const. По этим соображениям наибольшее распространение метод регулирования получил для механизмов M_с = Const, хотя в принципе использование функциональных преобразователей позволяет реализовать любой из этих законов.

До последнего времени системы электроприводов прямоточных волочильных станов строились исключительно на базе двигателей постоянного тока. Причиной этому являлось отсутствие надежных преобразователей частоты. При этом системы тиристорный преобразователь двигатель (ТП-Д) имеют такие недостатки, как:

- ограничение темпа нарастания тока якоря, повышенный момент инерции электропривода, приводящие к снижению быстродействия систем автоматического регулирования;

- высокие массогабаритные показатели;

- трудоемкость в обслуживании.

Перечисленные недостатки обусловлены наличием коллектора и соответственно процессов коммутации и могут быть исключены при построении системы электропривода на основе асинхронного короткозамкнутого двигателя.

В настоящее время имеется достаточный опыт промышленного применения электроприводов по системе ПЧ-АД в диапазоне мощностей 35...100 кВт.

Таким образом, система ПЧ-АД имеющая диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости - сотые доли процента и точность по моменту - единицы процентов может обеспечивать необходимую синхронизацию скоростей приводных электродвигателей в прямоточном волочильном стане с целью безобрывного волочения и заданной величиной противонатяжения проволоки.

1.5.2 Насосные станции с частотными электроприводами. В насосной станции №1 в г. Талдыкорган обычный короткозамкнутый асинхронный электродвигатель насоса мощностью 110 кВт/ч включен через преобразователь ПЧТ, разработанный в НИИ ХЭМЗ. Система управления электроприводом построена аналогично ранее описанным, за исключением того, что в качестве преобразователя уровня в системе использован ультразвуковой уровнемер ЭХО3. Применение частотного электропривода в этой установке уменьшает потребление электроэнергии на 60 тыс. кВт - ч в год, Т.о. примерно на 5 %.

В насосных станциях г. Талдыкорган используются также частотные преобразователи типа ПЧР-2 и производства финской фирмы Stromberg, на основе которых созданы и работают свыше 10 систем автоматического регулирования режима работы насосных станций с агрегатами мощностью от 75 до 160 кВт.

Частотные преобразователи фирмы Stromberg - высоконадежные и достаточно компактные средства регулирования насосных агрегатов. Для обеспечения равномерного использования насосных агрегатов предусматривается устройство, с помощью которого они могут поочередно подключаться к одному преобразователю.

1.5.3 Многоскоростные электродвигатели в насосных установках. Циркуляционные насосные станции некоторых талдыкорганских ТЭЦ укомплектованы вертикальными насосными агрегатами с двухскоростными двигателями марки ДВДА215/64-16-20К. Из семи насосов каждой станции два приводятся во вращение этими электродвигателями. Номинальная мощность двигателей 1400 кВт, частота вращения 375 и 300 об/мин. Наличие таких насосных агрегатов позволяет лучше приспосабливать режим работы насосной установки к режиму работы теплосети. Применяются двухскоростные электродвигатели и в водопроводных насосных установках.

1.6 Насосная станция с приводом на базе вентильного электродвигателя. Преимущества использования регулируемого электропривода в технологических процессах

насосный регулированный электропривод автоматический

К примеру на насосной станции №2 г. Талдыкорган внедрена САУ с использованием электропривода на базе вентильного электродвигателя. Из шести насосов марки 30-ФВ-17, установленных на станции, один из них оснащен таким электроприводом с применением преобразователя ПЧВН, разработанного НИИ ХЭМЗ. Мощность электропривода 1600 кВт, напряжение двигателя 10 кВ. Преобразователь подключен к питающей электросети через понижающий сухой трансформатор мощностью 4000 кВА, а двигатель - к преобразователю через такой же повышающий трансформатор. В состав преобразователя входит также тиристорный преобразователь питания системы возбуждения синхронного электродвигателя, который при внедрении электропривода не заменялся. Система управления электроприводом насоса аналогична вышеописанным. В качестве датчика уровня использован воздушный колокол и дифманометр с выходом 0-5 мА. В системе управления использован ПИ-регулятор типа Р-17. Применение САУ с регулируемым электроприводом снизило потребление электроэнергии примерно на 1200 тыс. кВт-ч год, улучшило условия эксплуатации насосного оборудования, облегчило условия работы оперативного персонала. Анализ работы САУ и выполненные расчеты показывают, что оборудование аналогичным электроприводом второго насосного агрегата позволяло бы увеличить экономию электроэнергии почти вдвое. На станции прошло проверку устройство, исключающее работу регулируемого насоса в зоне низких КПД.

Применение регулируемого электропривода обеспечивает энергосбережение и позволяет получать новые качества систем и объектов. Значительная экономия электроэнергии обеспечивается за счет регулирования какого-либо технологического параметра. Если это транспортер или конвейер, то можно регулировать скорость его движения. Если это насос или вентилятор - можно поддерживать давление или регулировать производительность. Если это станок, то можно плавно регулировать скорость подачи или главного движения.

Перспективность частотного регулирования наглядно видна из рисунка 1.3.

Рисунок 1.3 - Перспективность частотного регулирования

Особый экономический эффект от использования преобразователей частоты дает применение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей. До сих пор самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование задвижек или регулирующих клапанов, но сегодня доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного агрегата или вентилятора.

Таким образом, при дросселировании поток вещества, сдерживаемый задвижкой или клапаном, не совершает полезной работы. Применение регулируемого электропривода насоса или вентилятора позволяет задать необходимое давление или расход, что обеспечит не только экономию электроэнергии, но и снизит потери транспортируемого вещества.

1.7 Требования к автоматизированному электроприводу, системе управления насосной установки и обоснование выбора системы электропривода

Насосы являются механизмами с режимом длительной нагрузки с малым числом включений и большим количеством часов работы в году. Нагрузка на валу приводного двигателя спокойная, без перегрузок. Необходимый диапазон частоты регулирования не превышает, как правило, 2.

Нагрузка на валу механизма носит чисто вентиляторный характер, т.е. статический момент сопротивления на валу механизма пропорционален квадрату скорости.

Электропривод должен нормально функционировать в условиях повышенной влажности и относительно высоких температур, а также иметь максимально возможные показатели надежности. В этих условиях предпочтительным является применение асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, получающего питание от преобразователя частоты. АД КР отличается простотой, надежностью, отсутствием контактных соединений (щеток), дешевизной, а преобразователь частоты позволяет добиться достаточно точного регулирования скорости АД КР.

Таким образом, можно сформулировать требования к электроприводу. Электропривод должен обеспечивать:

- диапазон регулирования скорости 3: 1;

- перегрузочную способность не ниже 1,5;

- плавный пуск насосного агрегата и разгона до заданной скорости;

- торможение выбегом;

- климатическое исполнение УХЛ4;

- степень защиты IP44.

Автоматизация производственных установок позволяет более быстро и точно воспроизводить технологический процесс. При полной автоматизации процесса не требуется постоянного участия человека, ему остается роль наблюдателя и корректировщика. На данный момент целесообразно автоматизировать производственные установки при помощи микропроцессорных систем (программируемых контроллеров), которые позволяют заменить жесткую логику на программное управление, повысить надежность и гибкость системы управления.

Определим требования к автоматизированной системе управления:

- плавный пуск насосного агрегата и разгон до заданной скорости;

- определение необходимого напора в зависимости от текущего расхода;

- стабилизация необходимого напора жидкости в системе за счет регулирования скорости вращения электродвигателя;

- включение и отключение резервного насоса в зависимости от требуемого расхода;

- ввод в действие резервного насоса в случае аварии рабочего;

- автоматический разгон насосного агрегата после исчезновения напряжения питания (автоматическое повторное включение);

- защита от тепловых перегрузок приводных двигателей насосных агрегатов;

- периодическая смена основного насосного агрегата стабилизирующего подачу жидкости в систему;

- система управления должна обеспечивать контроль минимального, максимального и аварийного расхода.

Для привода насосной установки предварительно была выбрана система: преобразователь частоты - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Действительно, на основании сформированных требований к электроприводу и системе автоматизации, можно предположить, что использование в насосной установке двигателя постоянного тока с тиристорным выпрямителем не имеет смысла, т.к. по сравнению с асинхронным двигателем с КЗР и ПЧ ДПТ имеет следующие недостатки:

- наличие щеточного контакта понижает надежность и неприхотливость двигателя;

- высокая стоимость ДПТ, по сравнению с АД КЗР;

- на щеточных контактах отрицательно сказывается высокая влажность окружающей среды, следовательно, для использования в насосной установке потребуется специальный, герметизированный ДПТ, что еще более поднимет его сложность и стоимость.

Достоинства ДПТ перед АД такие как простота и точность регулирования скорости в широком диапазоне, хорошие статические характеристики в данном случае, при использовании в качестве привода насосной установки, не имеют решающего значения, т.к. особая точность отработки заданной скорости и ее стабилизации не нужна, тем более не нужен широкий диапазон регулирования скорости (вполне достаточно иметь диапазон регулирования скорости D = 3…5). Тем более, что использование системы ПЧ-АД дает результаты не намного худшие, чем использование системы УВ-ДПТ или ШИП-ДПТ, а преобразователь частоты стоит не намного больше чем управляемый выпрямитель или широтно-импульсный преобразователь, которые все чаще применяются для управления приводами постоянного тока.

Системы электропривода с АД с фазным ротором не являются актуальными т.к.:

- система АД ФР со ступенчатым регулированием скорости в принципе подходит по характеристикам и дешевле по стоимости, но, наличие добавочных сопротивлений в роторной цепи увеличивает расход электроэнергии, что является весьма актуальным;

- система АД ФР с импульсным регулированием сопротивления имеет характеристики, аналогичные характеристикам системы ПЧ-АД КЗР, но при соизмеримой цене преобразователя частоты и импульсного регулятора сопротивления, стоимость АД ФР гораздо выше, чем АД КЗР.

Системы электропривода с синхронными двигателями также как и системы АД ФР вполне пригодны для насосных установок, но их использование обойдется дороже из-за дороговизны двигателя.

Таким образом можно выделить следующие существенные преимущества системы ПЧ-АД КЗР перед другими системами электропривода при использовании его в насосной установке: простота и надежность двигателя; отсутствие контактных соединений (щеток) в двигателе; низкая стоимость двигателя; достаточное качество регулирования скорости; экономичность.

Недостаток системы ПЧ-АД КЗР один - пока что достаточно высокая стоимость преобразователя частоты.

Исходя из вышеперечисленных соображений, целесообразно использовать в качестве приводного двигателя насосной установки асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, а питание двигателя осуществлять от преобразователя частоты с векторным управлением.

1.8 Цели и задачи исследования

В данном дипломном проекте необходимо решить и исследовать следующие задачи:

- выбрать систему электропривода насосных станций и рассчитать ее параметры

- рассчитать нагрузки механизмов установки

- произвести предварительный расчет мощности электродвигателя и его выбор

- исследовать требования к автоматизированному электроприводу и системе управления насосной установки и обосновать выбор системы электропривода

- произвести расчет элементов электропривода, преобразователя и устройств автоматизации,

- исследовать модель частотного электропривода в среде MATLAB.

2. Выбор систем электропривода насосных станций и расчет его параметров

2.1 Структура частотного преобразователя

Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления. Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока. Силовой трехфазный импульсный инвертор состоит из шести транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя. В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями.

2.2 Принцип работы преобразователя частоты

Преобразователь частоты состоит из неуправляемого диодного силового выпрямителя В, автономного инвертора, системы управления ШИМ, системы автоматического регулирования, дросселя Lв и конденсатора фильтра Cв (рисунок 2.1). Регулирование выходной частоты fвых. и напряжения Uвых осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления.

Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя

Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2…15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках электродвигателя, вследствие их фильтрующих свойств, текут синусоидальные токи.

Рисунок 2.1 - Преобразователь частоты

Таким образом, форма кривой выходного напряжения представляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов (рисунок 2.2). Частота импульсов определяется частотой ШИМ, длительность (ширина) импульсов в течение периода выходной частоты АИН промодулирована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока (тока в обмотках асинхронного электродвигателя) практически синусоидальна. Регулирование выходного напряжения инвертора можно осуществить двумя способами: амплитудным (АР) за счет изменения входного напряжения Uв и широтно-импульсным (ШИМ) за счет изменения программы переключения вентилей V1-V6 при Uв = const.

Второй способ получил распространение в современных преобразователях частоты благодаря развитию современной элементной базы (микропроцессоры, IBGT-транзисторы). При широтно-импульсной модуляции форма токов в обмотках статора асинхронного двигателя получается близкой к синусоидальной благодаря фильтрующим свойствам самих обмоток.

Такое управление позволяет получить высокий КПД преобразователя и эквивалентно аналоговому управлению с помощью частоты и амплитуды напряжения. Современные инверторы выполняются на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов - запираемых GTO - тиристоров, либо биполярных IGBT-транзисторов с изолированным затвором.

Рисунок 2.2 - Форма кривой выходного напряжения

На рисунке 2.3 представлена 3-х фазная мостовая схема автономного инвертора на IGBT-транзисторах.

Она состоит из входного емкостного фильтра Cф и шести IGBT-транзисторов V1-V6 включенными встречно-параллельно диодами обратного тока D1-D6.

Рисунок 2.3 - 3-х фазная мостовая схема автономного инвертора на IGBT-транзисторах. И - трехфазный мостовой инвертор; В - трехфазный мостовой выпрямитель; Сф - конденсатор фильтра.

За счет поочередного переключения вентилей V1-V6 по алгоритму, заданному системой управления, постоянное входной напряжение Uв преобразуется в переменное прямоугольно-импульсное выходное напряжение. Через управляемые ключи V1-V6 протекает активная составляющая тока асинхронного электродвигателя, через диоды D1-D6 - реактивная составляющая тока.

2.3 Оценка влияния преобразователя частоты на питающую сеть. Вопросы качества электроэнергии

Вопросам качества электрической энергии в последние несколько лет уделяется очень большое внимание. Электрическая энергия используется во всех сферах жизнедеятельности человека, обладает совокупностью специфических свойств и непосредственно участвует в создании других видов продукции, влияя на их качество. Каждый электроприемник предназначен для работы при определенных параметрах электрической энергии: номинальных частоте, напряжении и т. п., поэтому для нормальной его работы должно быть обеспечено требуемое качество электрической энергии. Таким образом, качество электрической энергии определяется совокупностью характеристик электрической энергии, при которых электроприемники могут нормально работать и выполнять заложенные в них функции. Важность проблемы повышения качества электрической энергии нарастала вместе с развитием и широким внедрением на производстве вентильных преобразователей и различных высокоэффективных технологических установок, таких как дуговые сталеплавильные печи, сварочные установки и др. В итоге возник своего рода парадокс: применение новых технологий, которые экономичны и технологически эффективны, которые улучшают жизнь людей, отрицательно сказывается на качестве электроэнергии в электрических сетях. Ущерб, который несут потребители и энергосистема вследствие ухудшения качества электроэнергии, принято делить на электромагнитный и технологический. Основные формы электромагнитного ущерба: снижение эффективности процессов генерации, передачи и потребления электроэнергии за счет увеличения потерь в элементах сети; уменьшение срока службы и выход из строя электрооборудования из-за нарушения его нормальных режимов работы и старения изоляции; нарушение нормальной работы и выход из строя устройств релейной защиты, автоматики и связи.

В связи с ухудшением качества электроэнергии появляются так называемые отклонения напряжения. Отклонения напряжения оказывают значительное влияние на работу электродвигателей. В случае снижения напряжения на зажимах двигателя уменьшается реактивная мощность намагничивания, при той же потребляемой мощности увеличивается ток двигателя, что вызывает перегрев изоляции. Повышенный износ изоляции приводит к сокращению срока службы двигателя. При значительном снижении напряжения на зажимах асинхронного двигателя, возможно, его «опрокидывание» из-за уменьшения вращающего момента и частоты вращения ротора. Снижение напряжения ухудшает и условия пуска двигателя, так как при этом уменьшается его пусковой момент. Повышение напряжения на выводах двигателя приводит к увеличению потребляемой им реактивной мощности, которую необходимо каким-то образом компенсировать. Отрицательные отклонения напряжения приводят к увеличению производственного процесса во времени, а иногда и к браку продукции. Следует также отметить одно простое, но очень важное правило, общее для любого электрооборудования: при повышении напряжения сверх номинального происходит перерасход электроэнергии по сравнению с уровнем ее потребления в номинальном режиме работы электрооборудования. Во вращающихся машинах гармоники напряжения и тока приводят к появлению добавочных потерь в обмотках ротора, в цепях статора, а также в стали статора и ротора. Потери в проводниках статора и ротора при этом больше, чем определяемые омическим сопротивлением, из-за вихревых токов и поверхностного эффекта. Токи утечки, вызываемые гармониками в торцевых зонах статора и ротора, также приводят к дополнительным потерям. Все это приводит к повышению общей температуры машины и к местным перегревам, наиболее вероятным в роторе, что может привести к очень серьезным последствиям. Также следует отметить, что при определенных условиях наложения гармоник может возникнуть механическая вибрация ротора. Несимметричные токи нагрузки, протекающие по элементам системы электроснабжения, вызывают в них несимметричные падения напряжения. Вследствие этого на выводах ЭП появляется несимметричная система напряжений. Отклонения напряжения у ЭП перегруженной фазы могут превысить допустимые значения. Кроме ухудшения режима напряжения у ЭП, при несимметричном режиме существенно ухудшаются условия работы как самих ЭП, так и всех элементов сети, что ведет к снижению надежности работы электрооборудования и системы электроснабжения в целом. Качественно отличается действие несимметричного режима от симметричного у таких распространенных трехфазных ЭП, как асинхронные двигатели (АД). Сопротивление обратной последовательности АД примерно в 5 раз меньше сопротивления прямой последовательности. Поэтому даже небольшая несимметрия напряжений вызывает значительные токи обратной последовательности, что ведет к дополнительному нагреву статора и ротора. Все это в итоге приводит к ускоренному старению изоляции, уменьшению располагаемой мощности двигателя, к снижению их производительности и дальнейшему дефициту активной мощности.

Поэтому был принят ряд международных нормативов и ГОСТов по нормам качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения, который определяет все основные показатели качества электрической энергии. Каждый из этих показателей характеризует какое-либо свойство электрической энергии (отклонение напряжения, колебания напряжения и др.). В данной дипломной работе выбранный частотный преобразователь частоты РЭН-2-02-УХЛ4 должен соответствовать всем вышеперечисленным нормам и требованием.

2.4 Расчетная схема механической части электропривода

Кинематическая схема механической части электропривода изображена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Кинематическая схема электропривода

М - приводной асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором; Н - горизонтальный центробежный консольный насос.

Упругими свойствами соединительной муфты и валов можно пренебречь ввиду большой жесткости механиче6ской системы. Тогда на основании кинематической схемы (рисунка 2.4) составим одномассовую расчетную схему механической части электропривода, представленную на рисунке 2.5.

- суммарный момент инерции электропривода; - статистический момент; - угловая скорость.

Рисунок 2.5 - Расчетная схема механической части электропривода

2.5 Расчет нагрузок механизмов установки

При подборе центробежных насосов для конкретных установок необходимо знать зависимость одних параметров от других. В качестве независимого переменного параметра при построении характеристик принимают подачу насоса Q, так как она непосредственно связана с расходом жидкой среды в системе трубопроводов данной насосной установки. Изменение же остальных параметров насоса зависит от подачи.

Статической характеристикой сети (трубопровода) называется зависимость между расходом жидкости через трубопровод и напором H, который требуется для обеспечения этого расхода. Она описывается уравнением:

, (2.1)

где: Н_{ст -} статическая составляющая напора, в нашем случае равна нулю, R - сопротивление сети, не является постоянной величиной, изменяется в зависимости от состояния сети от 100R_б при отсутствии потребления воды из сети до R_б при максимуме потребления воды из сети, здесь