Размещено на http://www.allbest.ru/

8

Введение

Гидравлическое и электротехническое оборудование насосных станций обычно выбирается по максимальным техническим параметрам (подаче, напору и др.) системы водоснабжения и водоотведения. Однако в реальной жизни оказывается, что вновь вводимые в эксплуатацию насосные установки выходят на проектные режимы в течение многих лет, либо не выходят вообще. Поэтому существующие станции, как правило, работают в режимах, существенно отличающихся от расчётных. Кроме того, имеют место суточные, недельные и сезонные колебания расходов и напоров, обусловленные переменным водопотреблением, в результате этого рабочие режимы насосов оказываются далеко от рабочих зон их характеристик (как правило, в меньшую сторону). Поэтому с появлением надёжного регулируемого электропривода создались предпосылки для разработки принципиально новой технологии транспортировки воды, с плавным регулированием рабочих параметров насосной установки, без непроизводительных затрат электроэнергии и, с широкими возможностями повышения точности и эффективности технологических критериев работы систем подачи. При этом геометрическим местом рабочих точек насосной установки становятся характеристики трубопроводов, а не характеристики насосов, как в случае регулирования подачи насосных агрегатов с постоянной частотой вращения. С помощью регулирования частоты вращения для изменения расхода энергии по сравнению с дросселированием достигается значительный потенциал сбережения энергии. При этом происходит существенное снижение коэффициента полезного действия электропривода, что, в свою очередь, вызывает увеличение его мощности, что, соответственно, вызывает рост потребления электроэнергии. В мировой практике для этой цели широко используется частотно-управляемый асинхронный электропривод со стандартными короткозамкнутыми асинхронными электродвигателями общего применения. Это обусловлено появлением на мировом рынке большого количества весьма совершенных и относительно недорогих преобразователей частоты, построенных на современной элементной базе. Таким образом, применение регулируемого электропривода турбо- механизмов позволяет создать новую технологию энергосбережения, в которой экономится не только электроэнергия, но и сберегается тепловая энергия и сокращается расход воды за счёт утечек её при превышениях давления в магистрали, когда расход мал. Кроме того, при частотном регулировании насосов можно в значительной степени избежать аварийных ситуаций за счёт предотвращения гидравлических ударов, возникающих при изменении режимов работы и пуске системы при нерегулируемом электроприводе.

Сформулируем следующие основные выводы:

1. Наиболее эффективным способом регулирования асинхронных короткозамкнутых двигателей является частотный способ, позволяющий в наибольшей степени осуществлять экономически целесообразные режимы работы во всём диапазоне регулирования производительности турбо-механизмов.

2. Модернизация действующих нерегулируемых электроприводов с целью энергосбережения позволяет получать максимально возможный экономический эффект за счёт минимальных капитальных затрат.

3. Частотное управление является основным способом достижения максимальной производительности асинхронного электропривода в статических режимах.

4. Регулирование методом изменения скорости вращения вала электропривода за счет изменения числа оборотов обеспечивает требуемую величину напора в системе без какого-либо снижения КПД электропривода.

5. Регулирование числа оборотов - это единственный способ, обеспечивающий минимально необходимый расход при оптимальном КПД привода.

В случае применения подобного метода, осуществляется поддержание достаточно постоянного давления в гидросистеме, независимо от расхода воды. Таким образом, при малых расходах (например, ночью) насос вращается на малой скорости, необходимой только для того, чтобы поддерживать номинальное давление и не тратит лишней электроэнергии. И наоборот, в случае увеличения водопотребления (например, в пиковые часы - утром, вечером или в праздничные дни), происходит пропорциональное увеличение числа оборотов электродвигателя, компенсирующее увеличение расхода воды и поддерживающее давление водопровода на заданном уровне.

Основной закон управления асинхронным двигателем в частотном режиме был сформулирован еще в тридцатых годах советским академиком Костенко. Реализовать данный закон удалось гораздо позже, когда появились мощные тиристоры. Совершенствование и дальнейшее развитие асинхронного электропривода было связано с силовыми транзисторными схемами. Примерно в одно и то же время, в России, Германии и Японии были разработаны принципы векторного регулирования скорости асинхронного двигателя, но реализовали эти принципы впервые, на фирме «Сименс». Преобразователи частоты - это электронные устройства для плавного бесступенчатого регулирования скорости вращения вала асинхронного двигателя. В простейшем случае частотного регулирования управление скоростью вращения вала осуществляется с помощью изменения частоты и амплитуды трехфазного напряжения, подаваемого на двигатель.



1. ????????????? ?????

1.1 Анализ технологического процесса промышленной установки и формулирование требований к автоматизированному электроприводу

Система технологического водоснабжения неавтоматизированная, нет постоянного контроля давления в сети, включение подкачивающего насоса производится вручную, зачастую насос работает, выдавая излишнее давление, более 3 атм., или недостаточное, менее 3 атм.

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 -} абсолютные давления на выходе и входе, Па;

V_H и V_{B -} скорость жидкости на выходе и входе, м/c;

Z_H и Z_{B -} высоты точек замера давления от плоскости сравнения, м;

с - плотность жидкости, кг/м³;

g - ускорение свободного падения (9,8 м/с²).

Скорости жидкости на входе V_B выходеV_Hопределятся по формулам: V_H=Q/S_H;

V_B=Q/S_B,

где Q - подача насоса, м³/с;

S_H и S_BЇ 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 всегоЇ воды), м.

Напор Н=Р/с?g.

На основании двух последних формул:

.

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

При характеристике насосов различают:

оптимальную подачу Qопт - при оптимальном КПД;

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

минимальную Q мин и Q макс максимальную подачи - предельные значения подач, которыми ограничивается рабочая область насоса.

Мощность насоса (компрессора) Р - 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. Эти потери оцениваются коэффициентом полезного (КПД).

КПД равен отношению полезной мощности к мощности Н=Рр/Р.

Значения КПД современный насосов и компрессоров составляют 0,4 - 0,9.

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.



2. Технологическая часть

2.1 Общая характеристика объекта водопроводной сети

В здании АБК установлен насос типа КМ 80-50-200, труба на входе в насос ДУ100, на выходе из насоса ДУ 50, стояки по этажам ДУ 40. На каждом этаже имеется своя задвижка, в моечном отделении располагается 10 водоразборных устройств, которые могут использоваться одновременно, в течение часа, три раза в сутки, остальное время практически никто не пользуется, за исключением лиц, уходящих раньше по той или иной причине.

Ниже представлена схема гидравлики.

На каждом этаже по 20 потребителей.

Этаж-3 метра

2.2 Описание существующего электрооборудования

На данный момент установлено оборудование, простая схема прямого пуска асинхронного электродвигателя. Она состоит из кнопок <<ПУСК>> и <<СТОП>>, контактора типа КТ 6023, электродвигателя типа……., не имеет никаких регулировок по скорости и давлению воды в системе. Кабель питания ВВГ 4*25, длиной 10 метров.

2.3 Анализ существующих проблем

Традиционно работа повысительных насосов холодного водоснабжения (ХВС) осуществляется напрямую, от сети переменного тока без стабилизации давления на выходе насосного агрегата, с релейно-контакторной схемой управления, которая не обеспечивает отключение насосов на ночное время суток и во время регламентированных перерывов.

Такой режим работы насосов имеет следующие недостатки:

1) Повышенные затраты электроэнергии. Во- первых, это связано с неправильным выбором насосов. Часто насосные агрегаты в системе водоснабжения оказываются с завышенными характеристиками по давлению или расходу. Поэтому эксплуатация системы без постоянно прикрытой задвижки на выходе насосов невозможна, так как вероятны разрывы трубопроводов. На этой задвижке постоянно впустую рассеивается энергия. Во- вторых, это связанно с суточными колебаниями воды. При правильном выборе насосного агрегата, его расходная характеристика и мощность электродвигателя рассчитаны на обеспечение необходимого давления в системе при максимальном потреблении воды, которое, как известно, приходится на утренние и вечерние часы. В остальное время в системе создается избыточное давление, которое также приводит к дополнительным энергозатратам.

2) Наличие перепадов давления на выходе насосов, что приводит к гидроударам в системе, вследствие чего увеличивается вероятность порыва трубопроводов, особенно на изношенных участках, а также выхода из строя насосов, муфт, запорной арматуры и т.д.

3) Дополнительные потери воды в системе, вызванные течью швов, кранов и т.п. при избыточном выходном давлении (увеличение давления на 1 атм приводит к повышению потери воды на 10%).

4) Существенное сокращение срока службы двигателей насосных агрегатов, вследствие электрического и механического износа, вызванного частыми пускотормозными режимами, сопровождающимися большими пусковыми токами.

5) Отсутствие подачи воды на верхние этажи зданий во время максимального потребления в течение суток.

Устранение этих недостатков, существенное повышение эффективности и экономичности работы, может быть осуществлено, за счет автоматизации и установки частотно-регулируемых электроприводов переменного тока на повысительные насосы ХВС. Применение электроприводов позволит реализовать систему автоматической стабилизации давления на выходе насосов ХВС, за счет регулирования частоты вращения электродвигателя насоса. При изменении расхода или давления на выходе насоса ХВС частотно-регулируемый электропривод, на основании сравнения значений текущего и заданного выходного давлений автоматически увеличивает или уменьшает частоту вращения двигателя насоса. Тем самым на выходе насоса постоянно поддерживается требуемое давление, значение которого может быть задано на минимально необходимом уровне. Это позволяет избежать вышеперечисленных проблем традиционного ХВС, в том числе обеспечить круглосуточное водоснабжение с заданным уровнем давления на всех этажах зданий независимо от потребления воды. Модернизация в основном требует минимального количества демонтажных и монтажных работ и производится в короткие сроки, с использованием существующего оборудования. После модернизации экономия электроэнергии будет составлять от 40% до 65%. Так же получим следующие достоинства:

1) Увеличится срок службы гидро и электромеханических и механических составляющих насосной установки (муфт, запорной арматуры, трубопроводов и т.д.), т.к. плавный пуск и плавное изменение частоты вращения двигателя позволили исключить резкие перепады давления и гидравлические удары в системе (от электропривода двигатель насоса запускается с нулевой частоты и плавно выходит на режим, определяемый заданным давлением, скоростью, временем разгона и т.д.).

2) Значительно увеличится срок службы электродвигателей, за счет ограничения пусковых токов и снижения рабочих токов, при пониженных режимах загрузки (пониженном расходе).

3) Потери воды, вызванные течью кранов, швов и т.п. должны сократиться, этому способствует устранение избыточного напора на выходе насоса.

4) Уменьшится шум и увеличится механический ресурс насосных агрегатов за счет снижения в среднем рабочих оборотов двигателей и насосов.

5) Примененные электроприводы не требуют регламентных работ, а затраты на их обслуживание минимальны. Но для оценки необходимости применения частотно- регулируемых электроприводов можно утверждать, что экономический эффект будет тем больше, чем больше суточные изменения расхода в системе, и тем больше, чем меньше уровень давления, который необходимо поддерживать. После проведения обследования системы, ее реконструкция с установкой частотно- регулируемых электроприводов дает большой экономический эффект, даже, несмотря на большие капитальные вложения, и срок окупаемости электроприводов обычно лежит в пределах от 4 месяцев до 1,5 лет.

Наряду с оптимальным использованием электродвигателей при автоматической стабилизации выходного давления в системе ХВС, экономии электроэнергии способствует и тот факт, что частотно-регулируемые электроприводы работают, потребляя из сети только активную электрическую мощность, не загружая питающую сеть реактивными токами.



3. Конструкторская часть

3.1 ?????? ???????? ?????? ???????? ?????????

Особенности работы насосной установки водоснабжения:

1. Гидравлическая характеристика сети и напорная характеристика насосов представлена на рис. (Q=80 м³/ч, H=57 м) - рабочая точка системы насос-сеть.

2. Т.к. подача воды осуществляется в одном определенном направлении, то реверс привода недопустим.электропривод насосная станция

3. Запуск насосной установки должен осуществляться при падении давления воды из водопроводной сети ниже 3 атмосфер.

4. Режим работы - непрерывный.

5. Т.к. данный насос предназначен для поддержания необходимого давления в сети водоснабжения, то характер его работы должен зависеть от напора.

6. Расход воды имеет сильные различия в течение смены.

Исходя из вышеизложенных особенностей процесса водоснабжения, управляемой координатой электропривода, выбираем скорость, в зависимости от давления в трубопроводе.

1 - гидравлическая характеристика сети;

2 - характеристика Н=f (Q) насоса КМ 80-50-200

Рисунок 1.2 - Гидравлическая характеристика сети и характеристика Н=f (Q) насоса КМ 80-50-200

3.2 ?????????????? ?????????? ? ??????????????????? ??????????????

Основные технологические требования к системе электропривода:

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

Требования технического задания

Основным требованием к автоматизированному электроприводу является стабилизация напора на уровне Н-57м., а для системы автоматизации - в случае отказа преобразователя перейти в режим нерегулируемого насоса. Так же электроприводу насоса предъявляется следующие требования:

высокоэффективного перекачивания, при производительности Q=80 , при этом устраняется необходимость в регулирующих клапанах, которые неэффективно использовались для снижения расхода воды, и нет нужды недогружать насос, что происходит при их работе с постоянной скоростью;

плавного пуска, помогающего избежать пиков давления которые превышают номинальное 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;

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.

пыле- и влагозащищенность не ниже IP44.

3.3 ????? ??????? ??????????????

Выбор системы управления осуществляется на основе анализа сравнительных технических данных, а именно: диапазона регулирования, способа управления, ресурса (уровня износостойкости), диапазона возможных мощностей электропривода, показатели энергетики и динамики, а также дополнительных данных, определяющих условия эксплуатации электропривода. Экономическая оценка систем управления должна базироваться на принципе минимальных расходов, связанных с первоначальными затратами, эксплуатационными затратами на ремонт, а также затратами на ремонт и 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.

Выбираем скалярное управление насосом, так как оно имеет следующие преимущества:

Экономический эффект от внедрения преобразователей частоты: экономия электрической энергии благодаря оптимизации работы насосных агрегатов составляет в среднем по объектам 30 - 60%, снижение расхода воды до 5% и уменьшение скрытых утечек за счет обеспечения постоянства давления в сети и снятия избыточного напора.

Уменьшение напора при стабильной подаче.

Уменьшение механической, а, следовательно, и электрической мощности, потребляемой из сети, вследствие уменьшения скорости вращения.

Уменьшение реактивной мощности, которой обменивается электродвигатель с питающей сетью.

3.4 ?????????????? ?????????????? ????? ??????????????????? ??????????????

Проектируемый автоматизированный электропривод насоса имеет датчик напора, регулятор давления, на вход которого подается разность сигнала задания и обратной связи по измеренному значению напора. В схему также введем обратную связь по току двигателя для компенсации падения напряжения на активном сопротивлении статора. Данный сигнал обратной связи вычитается из заданного значения ЭДС статора и поступает на блок регулятора напряжения. Поддержание напора в заданных пределах осуществляется изменением скорости вращения двигателя с помощью регулятора частоты. В блоке управления силовыми ключами обрабатываются сигналы с регуляторов частоты и напряжения, на основании которых вырабатываются управляющие импульсы, поступающие на транзисторы ПЧИН. Полученная функциональная схема представлена на рисунке.

ЗН - задатчик напора, Н_з - напряжение сигнала задания напора, Н_ос - напряжение сигнала обратной связи по измеренному напору, РД - регулятор давления, ФП - функциональный преобразователь ЭДС, РЧ - регулятор частоты, РН - регулятор напряжения, М - двигатель, Ф - фильтр, L - индуктивность фильтра, С₁ - конденсатор фильтра, Н - насос, ПЧ - преобразователь частоты, ДТ1-ДТ3 - датчики тока, АИН - автономный инвертор напряжения, ДН - датчик напора, НВ - неуправляемый выпрямитель, R₁ - активное сопротивление статора, E_з - заданное значение ЭДС статора, I₁ - ток статора, f - частота, K_дн - коэффициент обратной связи по напору, U - напряжение, БУСК - блок управления силовыми ключами.

3.5 ?????? ?????????????? ????? ?????????. ?????????? ????????? ????? ???????????? ????? ?????????????? ? ??????????? ?? ??????????

В кинематической схеме центробежного насоса КМ 80-50-200 не используются муфты, редукторы и другие передаточные механизмы

1-электродвигатель;

2-рабочее колесо насоса.

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.3.2), 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 3.2 - Расчетная приведенная схема вращательной системы

Суммарный момент инерции электропривода определяется как:

.

Момент инерции двигателя дан в каталоге, а момент инерции рабочего колеса насоса:

(3.2)

Где h - толщина стали рабочего колеса насоса (3 мм);

- плотность стали (7,8 т/м³);

R - радиус рабочего колеса насоса (105 мм);

k - коэффициент, учитывающий массу лопаток и других частей механизма.

3.6 ?????? ???????? ? ?????????? ???????????? ?????????????? ? ??????????? ????????? ?????????

При пуске двигателя до момента, когда нагнетаемое давление сравняется с номинальным и откроется клапан, вода перемешивается насосом в ограниченном пространстве, при этом практически отсутствуют потери на гидравлическое трение. На этом участке нагрузка на валу изменяется по формуле:

, (3.3)

где - М₀Ї момент развиваемый двигателем при нулевом расходе воды.

При открытии клапана начинается ток воды и появляется трение воды о стенки трубопровода, нагрузка изменяется по закону:

Расчет и построение технологических характеристик

,, , .

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

, (3.4)

где

, , , , .

Подставим начальные условия в (3.4):

. (3.5)

Выразим Q через w из (3.5). Получим зависимость :

. (3.6)

Из уравнения (3.1) можно также выразить w через Q:

. (3.4)

Характеристику магистрали рассчитывается по зависимости:

.

Уравнение сети при имеет вид:

Тогда,

. (3.5)

Если в (3.5) вместо H_маг подставить Н_т/м и приравнять к (3.2), то получим зависимость H=f (Q) насоса при данной скорости w.

. (3.6)

. (3.7)

Исходя из значений Q_i по формулам (3.5), (3.6) составим таблицу 3.1, в которой указаны значения скорости w_i от Q_i.

Таблица 3.1 - Значения скорости в зависимости от расхода

Qi, м3/ч	0	15	25	35	45	55	65	75
щi, рад/с	0	54,35	90,59	126,83	163,06	199,30	235,53	271,77

Пример расчета для подачи Q=35 м³/ч.

.

Изменяя в выражении 3.7 значение Q от 0 до 75 м³/ч, при помощи программы Mathcad строим характеристики H=f (Q) для каждой w_i (рис. 3.3).

Изменяя в выражении 3.5 значение Q от 0 до 75 м³/ч при помощи программы Mathcad строим характеристику магистрали (рис. 3.3).

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

Из рисунка видно, чтобы поддерживать начальный напор стабилизации H_{стаб нач}=43 м необходимо вычислить минимальную объемную подачу (вычисляется из характеристики сети): м³

,=>.

Значит, если потребление воды будет меньше значения 73,25 м³/ч, то системой управления будет поддерживаться минимальный напор (начальный стабилизирующий напор) за счет поддержания скорости на заданном уровне.

Зная объемную подачу Q, определим скорость, при которой бы обеспечивался минимальный напор:

.

При найденной скорости будет поддерживаться начальный стабилизирующий напор H_{стаб нач}=43 м.

Суммарные потери рассчитываются по следующей формуле:

водоснабжение насос автоматизированный электропривод

,

где - механические потери;

- гидравлические потери.

При Н_ст=0 получаем . Тогда формула примет вид:

, (3.7)

где

Вращающий момент равен:

(3.8)

При подстановке (3.7) в (3.8) получим:

(3.9)

Номинальная мощность насоса определяется по формуле:

.

Номинальный момент определяется так:

.

Подставляем известные данные в выражение (3.9):

(3.10)

Изменяя значение щ от 0 до щ_ном, при помощи программы Mathcad строим график зависимости М= f (щ)

Рисунок - Механическая характеристика насоса.

Исходя из суточного распределения объема воды за рабочее время насоса, изображенного на рисунке 3.5, определяем скорость и статический момент по формулам (3.4) и (3.9) соответственно и строим скоростную и нагрузочную диаграммы, изображенные на рисунках 3.6 и 3.7. Составим таблицу 3.4, в которой кроме промежутков времени указаны значения скорости щ и M_ст от Q.

Таблица - Данные для построения диаграммы механизма

Часы суток				Часы суток
1	2	3	4	1	2	3	4
0-1	15	54,35	6,37	12-13	65	235,53	36,15
1-2	15	54,35	6,37	13-14	65	235,53	36,15
2-3	5	18,12	4,89	14-15	65	235,53	36,15
3-4	5	18,12	4,89	15-16	65	235,53	36,15
4-5	5	18,12	4,89	16-17	65	235,53	36,90
5-6	5	18,12	4,89	17-18	55	199,30	27,22
6-7	25	90,59	9,35	18-19	55	199,30	27,22
7-8	25	90,59	9,35	19-20	55	199,30	27,22
8-9	65	235,53	36,15	20-21	25	90,59	9,35
9-10	65	235,53	36,15	21-22	25	90,59	9,35
10-11	65	235,53	36,15	22-23	25	90,59	9,35
11-12	35	126,83	13,82	23-24	25	90,59	9,35

Рисунок 3.5 - Диаграмма расхода

Рисунок 3.6 - Скоростная диаграмма механизма

Рисунок 3.7 - Нагрузочная диаграмма механизма

3.7 Выбор насоса

На основании известной для насоса подачи (производительности) или суммарного напора определяется мощность на валу электродвигателя, в соответствие с которой может быть осуществлен выбор мощности электродвигателя. Для центробежного насоса, например, формула определения мощности на валу выводится из выражения энергии, сообщаемой движущейся воде в единицу времени.

Пусть:

F - сечение водопровода, м²;

m - масса воды за секунду, кг/с;

v - скорость движения воды, м/с;

p - плотность воды, м³;

, - к. п. д. насоса и используемой передачи.

Известно, что:

.

Тогда выражение для энергии движущейся воды примет вид:

.

Откуда мощность на валу электродвигателя:

. (3.9)

В (3.9) можно выделить группы величин, соответствующих подаче м³/с, и напору насоса, Па:

Q=F·v,

.

Из приведенных выражений видно, что:

,

.

Здесь с, с1, с2 - постоянные величины.

С некоторым приближением для центробежных насосов можно принять, что между мощностью на валу и скоростью существует зависимость, описанная вышеприведенными формулами.

Отметим, что вследствие наличия статического напора и конструктивных особенностей центробежных насосов, показатель степени в правой части (3.9) может отличаться. Таким образом получим:

,

.

Основной характеристикой насосов, вентиляторов и компрессоров является зависимость развиваемого напора H от подачи этого механизма Q. Указанные зависимости представляются обычно в виде графиков Q (H) для различных скоростей механизма. Выбираем насос Grundfos NB 50-200/210, с диаметром рабочего колеса 200 мм и следующими параметрами: напор - ; производительность - , КПД - . Зададимся коэффициентом запаса по мощности: k_ЗАП=1,11

Мощность двигателя необходимая для нормальной работы турбомеханизма определяется:

.

Расчетная мощность электродвигателя с учетом запаса на пусковой момент определяется формулой:

Коэффициент запаса мощности на пусковой момент для различных мощностей электродвигателей приводится в нижеследующей таблице:

Таблица 3.5 - Коэффициент запаса мощности на пусковой момент.

Мощность Pэд, кВт	К зап. мощн.
до 0,5	1,5 - 2,0
от 0,5-1,0	1,4
1,0-2,0	1,3
2,0-5,0	1,2
Свыше 5,0	1,11

3.8 ????? ??????????? ???????? ? ??????????? ?????????

Двигатель выбираем исходя из условия:

.

Исходя вышеуказанного к насосу Grundfos NB 50-200/210 выбираем электродвигатель серии "Standart” типа MMG 160L-Е мощностью 18,5 кВт. Т.к. технические параметры и параметры схемы замещения данного двигателя в каталогах не приводятся, то расчет будем вести по параметрам аналогичного двигателя серии 4А (4А160М2).

Технические параметры выбранного двигателя приведены в таблице 1.1.



Таблица 1.1 - Технические параметры двигателя.

Мощность, кВт	Скольжение, %	КПД, %	Cos ц					Jд, кг•м2
18,5	2,3	88,5	0,92	2,2	1,4	12,5	7,5	0,053

Таблица 1.2 - Параметры схемы замещения двигателя.

х	R1	х1	R2	х2
4,5	0,049	0,092	0,022	0,12

Построим механическую характеристику двигателя.

Номинальный ток статора:

Полное фазное сопротивление:

Найдём абсолютные параметры двигателя:



3.9 Построение нагрузочной диаграммы электропривода

Так как момент и ток связаны линейной зависимостью, нагрузочную диаграмму строим для момента, который определяется из основного уравнения движения электропривода:

, (3.11)

где - статический момент на валу двигателя, Н·м,

- суммарный момент инерции электропривода, кгм^2,щ - угловая скорость двигателя, рад/с.

Динамический момент электропривода M_дин предварительно определяют приближенно, принимая линейный закон изменения скорости:

, (3.12)

где

щ_у - установившаяся скорость двигателя на данном интервале скоростной диаграммы, рад/с,

t_{п, т} - время пуска (торможения), с.

Время пуска определяем по следующей формуле:

Для данного ЭП J_МЕХ - момент инерции рабочего колеса насоса.

гдеh - толщина стали рабочего колеса насоса (3 мм);

- плотность стали (7,8 т/м³);

R - радиус рабочего колеса насоса (105 мм);

k - коэффициент, учитывающий массу лопаток и других частей механизма.

Для определения М_{АД СР} необходимо определить площадь фигуры, ограниченной осью Х ?и кривой M = f (щ) на естественной механической характеристике, полученное значение разделить на щ _HOM.

Для определения площади разбиваем естественную механическую характеристику на несколько элементарных площадей и находим сумму площадей.

Найдем динамический момент:

.

Дальнейшее построение нагрузочной диаграммы ведем с учетом того, что при пуске электропривода его нагрузочная диаграмма описывается следующим выражением:

. (3.15)

По достижении электроприводом установившейся скорости, нагрузочная диаграмма описывается следующим выражением:

. (3.16)

На участках снижения скорости, уравнение движения электропривода имеет вид:

. (3.17)

Используя данные, полученные ранее для построения нагрузочной диаграммы механизма, построим нагрузочную диаграмму электропривода, которая представлена на рисунке 3.15.

Рисунок 3.9 - Нагрузочная диаграмма электропривода

3.10 ???????? ?????????? ???????????????? ?? ??????? ? ????????????? ???????????

Произведём проверку выбранного электродвигателя по нагреву. Температура нагрева двигателя определяется по формуле:

, (3.18)

где

Q₀ - температура начального подогрева двигателя;

х_т - скорость нарастания температуры обмотки ЭД. Из справочника определяем: х_т = 10,3 ⁰С/с;

t_П=3,36 с из подраздела 3.5 - время прямого пуска электродвигателя.

Температура начального подогрева двигателя определяется по формуле:

(3.19)

где:

И_с - температура среды насосной станции.

Исходя из условий работы установки температура воды колеблется в пределах:

1. Зимой температура воды составляет 7 … 12 ⁰С;

2. Летом температура воды составляет 16 … 20 ⁰С.

Примем наиболее тяжелый режим работы и примем И_с= 20 ⁰С.

И_ном = 150 ⁰С - номинальная температура нагрева изоляции класса F;

Вычислим по формуле (3.19) температуру начального подогрева двигателя:

Вычислим температуру нагрева двигателя по формуле (3.18):

Если двигатель подходит по нагреву, то должно выполняться условие:

где: И_{доп -} температура, которую однократно может превысить двигатель за время прямого пуска. Для изоляции класса F допустимая температура равна И_доп = 200 ⁰С.

Условие выполняется, так как 129,1 ? 200 ⁰С, и следовательно двигатель по нагреву подходит.

Произведём проверку выбранного электродвигателя по перегрузочной способности.

Проведем проверку двигателя по перегрузочной способности с учетом возможного понижения напряжения сети на 10%.

Так как двигатель работает в непрерывном режиме, то максимальный момент нагрузки будет равен:

где из подраздела 3.3.

Условие выбора ЭД по перегрузочной способности:

М_{нагр. мах}< М_доп

52,22 <108,63.

Условие выполняется, двигатель по перегрузочной способности подходит.

3.11 Выбор преобразователя электрической энергии

В режиме энергосбережения преобразователь автоматически отслеживает потребление тока, рассчитывает нагрузку и снижает выходное напряжение. Таким образом снижаются потери в обмотках двигателя и увеличивается его КПД. Режим энергосбережения хорошо подходит для следующих задач:

управление скоростью вращения вентиляторов и насосов;

управление оборудованием с переменной нагрузкой;

управление машинами, которые большую часть времени работают с малой нагрузкой.

Выбор преобразователя частоты будем производить исходя из следующих условий:

1. Напряжение выходное напряжение преобразователя U_пр 380В.

2. Номинальный ток преобразователя не менее:

3. Кратность максимального тока преобразователя 2.

4. Минимальная цена преобразователя.

5. Степень защиты корпуса - IP44.

6. Наличие программы для управления насосами.

Этим условиям соответствует преобразователь частоты фирмы SIEMENS MICROMASTER 440 6SE6440-2UC32-2EA1

Таблица 4.1 - Технические параметры

Pном, кВт	Iном, А	Uном, В
22	38	380-480

Преобразователь частоты выбирается следующим по номинальной мощности, от номинальной мощности электродвигателя.



3.12 Выбор датчиков управляемых координат электропривода

В качестве датчика обратной связи по давлению выбираем датчик CS-PT100, основные технические данные которого приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Основные технические данные датчика давления CS - PT100.

Диапазон измерения	0 ~ 12.6 бар
Перегрузка давления	250%
Выходной сигнал	4 ~ 20 мА
Напряжение питания	24V DC
Суммарная погрешность	0,5%
Время срабатывания	10 мсек
Температура термокомпенсации	10 ~ +60°C
Рабочая температура	-40 ~ +85°C
Степень защиты	IP65

3.13 Расчет параметров объекта управления

Рассчитаем параметры схемы замещения.

Полное фазное сопротивление

(базовое сопротивление):

.

Параметры АД в абсолютных единицах:

, ,

, ,

,.

Жесткость статической механической характеристики двигателя:

.

Электромеханическая постоянная времени:

.

Электромагнитная постоянная времени:

.

Рисунок - Структурная схема автоматизированного электропривода при стабилизации напора

Линеаризуем механическую характеристику насоса на участке от = 213 рад/с до = 307рад/с, что соответствует работе насоса с давлением 30-60м. Тогда коэффициент жесткости механической характеристики механизма:

.

Для синтеза регулятора давления линеаризуем объект таким образом:

, где

.

3.14 ??????????? ????????? ? ?????????? ???????????? ??????????

После преобразования структурной модели электропривода, получим структурную схему

Размещено на http://www.allbest.ru/

8

На схеме приняты следующие обозначения:

;

;

; где

и .

Рассмотрим передаточную функцию относительно возмущающего воздействия Q_L при Н_З (р) =0:

, (5.7)

Подставив W_р и W₂ в (5.7) получим:

, (5.8)

где .

Пренебрегая коэффициентом Т_э, Т_с при р² и обозначив Т₁=Т_э+Т_с получим:

.

Приняв Т_и=Т₁=Т_э+Т_с получим:

.

В результате преобразований передаточная функция примет вид:

.

Коэффициент k_р определим из условия:

,

где Н_з - заданный напор, Н_з=57 м;

f_1ном = 50 Гц.

Находим численное значение коэффициентов k_р и Т_и:

.

.

.

Рисунок - Математическая модель автоматизированного электропривода

3.15 Параметрирование частотного преобразователя. Основные параметры для проектируемой установки

1) Параметр Р0003 ставим 1

Уровень доступа- 1 Стандартный

2) Параметр Р0004 ставим 0

Фильтр параметров- 0 Все параметры

3) Параметр Р0010 ставим 1

Параметры ввода в эксплуатацию- 1 Быстрый ввод в эксплуатацию

4) Параметр Р0100 ставим 0

Европа /Северная Америка- 0 Европа [кВт], стандартна частота 50 Гц

5) Параметр Р0205 ставим 1

1 Насос

6) Параметр Р0300 ставим 1

Выбор типа двигателя-1 Асинхронный двигатель

7) Параметры Р0304, Р0305, Р0307, Р0308, Р0309, Р0310, Р0311

Выставляем номинальные данные электродвигателя с шильдика

8) Параметр Р0355 ставим 1

Охлаждение двигателя

9) Параметр Р0500 ставим 1

1 Насос

10) Параметр Р0640 ставим 150%

Коэффициент перегрузки двигателя

11) Параметр Р0700 ставим 2

12) Параметр Р1000 ставим 2

Выбор источника заданного значения *

2 Аналоговый вход

13) Параметр Р1080 ставим 0.0 Гц.

Минимальная частота

14) Параметр Р1082 ставим 50.0 Гц.

Максимальная частота

15) Параметр 1300 ставим 0

U/f скалярный режим

16) Параметр Р3900 ставим 1

Завершение быстрого ввода в эксплуатацию

17) Параметр Р0701 ставим 1

Дискретный вход №1

18) Параметры Р0702-Р0706 ставим 0

Выбрасываем дискретные входы со 2го по 6

19) Параметр Р0731-Р0733 ставим 0

Выбрасываем дискретные выходы с 1го по 3

20) Параметры Р0756-Р0760 ставим 1

Настройка аналогового входа №1

21) Параметр Р1070=Р2262

Главное значение для ПИД регулятора

22) Параметр Р2200 ставим 1

ПИД регулятор ON

23) Параметр Р2251 ставим 0

24) Параметр Р253=Р2889

Фиксированное задание (смотри Р2889)

25) Параметр Р2264=Р755.0

Обратная связь по аналоговому входу №1

26) Параметр Р2257=10 секунд

Рампа разгона

27) Параметр Р2258=15 секунд

Рампа торможения

28) Параметр Р2280 П-часть расчёт авто (смотри Р2350)

29) Параметр Р2285 И-часть расчёт авто ( смотри Р2350)

30) Параметр Р2291 f-max

31) Параметр Р2292 f-min поставить 10 Гц

32) Параметр Р2350 ставим 1

Автонастройка ПИД регулятора

33) Параметр Р2889 ставим 15Гц

Главное задание, которое соответствует 3атм.

Частотный преобразователь полностью настроен и готов к работе.

3.16 Программа для siemens logo, описание, схема подключения siemens logo и siemens micromaster 440

Данная программа отрабатывает суточный цикл работы насоса, кнопки ПУСК и СТОП, расположены на первом этаже здания и служат для принудительного включения и выключения насоса. Таймеры В001 и В007, служат для запуска в определенные дни и часы, запуск электродвигателя должен произойти в течение 1 минуты, от указанного, т.е. если электродвигатель должен включиться, например, в 7:30, то таймер запускает двигатель с 7:30 до 7:31, а дальше уже отрабатывает таймер В008, в его значении прописывается длительность включенного состояния электродвигателя. Таймер В004 отрабатывает в момент, когда насос включается принудительно, нажатием кнопкой ПУСК.RS-триггер нужен для выполнения сброса программы, т.е. для принудительного отключения электродвигателя, при нажатии кнопки СТОП. Выходы Q1 и Q2 нужны для визуализации, т.е. на панели управления горит лампа, указывающая то или иное состояние насоса, а так же, на дисплее LOGO текстом прописывается текущее состояние. Дата и время, устанавливаются непосредственно на самом приборе, отсчёт происходит по текущему времени.

В свойствах таймеров можно изменять значения длительности времени работы и времени запуска насоса, непосредственно для своих целей и надобностей.

Если возникнет ситуация, когда будет нажата кнопка ПУСК, при уже включенном насосе, который запустился по времени, то никаких ошибок и сбоев возникать не будет, программа будет отрабатывать в своём штатном режиме, либо до окончания времени длительности таймера, либо до принудительного останова электродвигателя нажатием кнопки СТОП.

3.17 Выбор автоматов, проводов и кабелей

Выбор автоматических выключателей.

Номинальные токи автомата I_НА и его расцепителей I_НР выбирают по длительному расчетному току линии I_Р. Примем I_Р= I_{ДВ. Н}

Ток срабатывания эл. магн. расцепителя проверяется по максимальному кратковременному току линии

Выбираем автомат ВА47-29 с I_Н=40А, I_НР=40А, кратность тока отсечки - 12I_Н.

Выбор питающего кабеля.

Выбираем сечение жил кабелей питающих электродвигатели

где

Кз - кратность длительно допустимого тока провода по отношению к номинальному току или току срабатывания защитного аппарата (для автоматического выключателя Кз=1).

Выбираем кабель ВВГ 3х6 с допустимой токовой нагрузкой 42 А.



Заключение

На примере выпускной аттестационной работы показано, что использование частотных преобразователей, в насосной станции холодного водоснабжения здания АБК, оправдано с точки зрения экономии электроэнергии и увеличения срока службы электродвигателей, насосов и запорной арматуры.

Такая насосная станция имеет следующие преимущества:

1) Снижаются затраты электроэнергии. Это связано с правильным выбором насоса, электродвигателя, частотного преобразователя и кабельной продукции. Эксплуатация системы, без постоянно прикрытой задвижки уже не требуется, а суточные колебания воды не влияют на давление в системе, а расходная характеристика насосного агрегата и мощность электродвигателя рассчитаны на обеспечение необходимого давления в системе при максимальном потреблении воды.

2) Отсутствие перепадов давления на выходе насосов, что приводило к гидравлическим ударам в системе.

3) Дополнительные потери воды в системе, вызванные течью швов, кранов и т.п. при избыточном выходном давлении полностью отсутствуют.

4) Существенно увеличивается срок службы двигателей и насосных агрегатов.

5) Подача воды на верхние этажи зданий, во время максимального потребления воды, в течение суток, так же является бесперебойной.

Устранение недостатков, существенное повышение эффективности и экономичности работы, осуществлено, за счет автоматизации и установки частотно-регулируемого электропривода переменного тока на повысительный насос ХВС. Применение электропривода позволило реализовать систему автоматической стабилизации давления на выходе насоса ХВС, за счет регулирования частоты вращения электродвигателя. При изменении расхода или давления на выходе насоса ХВС, частотно-регулируемый электропривод, на основании сравнения значений текущего и заданного выходного давлений автоматически увеличивает или уменьшает частоту вращения двигателя насоса. Тем самым на выходе насоса постоянно поддерживается требуемое давление, значение которого может быть задано на минимально необходимом уровне. Это позволяет избежать вышеперечисленных проблем традиционного ХВС, в том числе обеспечить круглосуточное водоснабжение с заданным уровнем давления, на всех этажах зданий независимо от потребления воды.



Библиографический список

Справочник по электрическим машинам: в 2 т. /под общей ред. И.П. Копылова. - Т1. М.: Энергоиздат, 1988. - 456c.

Справочник по электрическим машинам: в 2 т. /под общей ред. И.П. Копылова. - Т2. М.: Энергоиздат, 1989. - 688c.

Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. - Л.: Энергоиздат, 1982.

Анхимюк В.А., Опейко О.Ф., Михеев Н.Н. Теория автоматического управления. - Мн.: Дизайн ПРО, 2000.

Ключев В.И. Теория электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

Резисторы, конденсаторы, транзисторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справ. /Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок - Мн.: Беларусь, 1994. - 591с.

Силовые полупроводниковые приборы: Справочник/о.Г. Чебовский, Л.Г. Моисеев, Р.П. Недошивин - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 400с.

Электротехнический справочник. в 3 т. Т.3.: Под общ. ред. Профессоров МЭН: И.Н. Орлова и др. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 616с.

Электрический справочник. В 3т. Т.2. Электротехнические устройства /Под общ. ред. Проф. МЭН В.Г. Герасимова, Л.А. Кунова и др. - М.: Энергоиздат, 1981. - 640с.

Под ред.В.А. Елисеева, А.В. Шниянского. Справочник по автоматизированному ЭП. М.: Энергоатомиздат, 1983.

Янковенко В.С. и др. Расчет и конструирование элементов ЭП. М.: Энергоатомиздат, 1987.

Зимин Е.Н. и др. Электроприводы постоянного тока с вентильными преобразователями. М.: Энергоатомиздат, 1981.

Терехов В.М. Элементы автоматизированного ЭП. М.: Энергоатомиздат, 1987.

Руководство по программному обеспечению для преобразователей частоты серии ACS 550. ABB Industry Oy. 2003.

Фираго Б.И. Учебное методическое пособие по теории электропривода. 1993.

Ильинский Н.Ф. Повышение эффективности промышленных установок средствами электропривода. 1987.

Ильинский Н.Ф. Проблемы энергосбережения в проектировании и эксплуатации новых видов электропривода. 1986.

18. Постановление Правительства РФ от 06.05.2011 N 354 (ред. от 27.02.2017) "О предоставлении коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов" (вместе с "Правилами предоставления коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов")

19. СП 30.13330.2012. Свод правил. Внутренний водопровод и канализация зданий.

Размещено на Allbest.ru