Автоматизированный электропривод насоса второго подъема на целлюлозно-бумажном производстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматизированный электропривод насоса второго подъема на целлюлозно-бумажном производстве

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 курсового проекта является проектирование автоматизированного электропривода насосной cстанции второго подъема системы хозяйственного водоснабжения.

Насосные станции систем водоснабжения представляют собой сложный комплекс сооружений и оборудования, обеспечивающий подачу воды в соответствии с нуждами потребителя. Состав сооружений, их конструктивные особенности, тип и число основного и вспомогательного оборудования определяются исходя из принципов комплексного использования источников воды предприятия и минимизации стоимости строительства с учётом назначения насосной станции и предъявляемых к ней технологических требований. Наряду с обеспечением требуемого напора и подачи воды для нормальных и аварийных условий, при строительстве насосных станций, необходимо при наименьших затратах на их сооружение и эксплуатацию обеспечивать: требуемую степень надёжности (следовательно, определённую степень бесперебойности работы), долговечность, экономичность (наименьшее потребление электроэнергии), удобство в эксплуатации и широкое применение автоматики и телемеханики.

Насосные станции представляют собой достаточно сложный комплекс механического оборудования и энергетических установок (электродвигателей, силовых трансформаторов, распредустройств), трубопроводов, арматуры, контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации.

Значительная экономия топливно-энергетических ресурсов достигается при рациональном водоснабжении жилых, промышленных и общественных зданий в городах и других населенных пунктах. С этим развитием связано строительство автоматизированных насосных для жилого и промышленного секторов.

Водоснабжение народного хозяйства и населения является одной из основных подсистем энергетики страны. Назначение системы водоснабжения состоит в обеспечении потребителей необходимым количеством воды требуемых параметров.

Экономичность работы насосной станции второго подъема во многом зависит от правильности выбора режима ее работы. Поскольку станция второго подъема подает воду непосредственно в сеть потребителя, то режим ее работы будет определяться режимом водопотребления и составом напорно-регулирующих сооружений (водонапорная башня) системы водоснабжения. В данном курсовом проекте будет рассмотрена насосная станция без водонапорной башни.

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

1. Технологическая часть

1.1 Описание промышленной установки

Насосная станция является звеном системы водоснабжения и представляет собой довольно сложный энергетический узел, обеспечивающий подачу воды потребителям в необходимом количестве с требуемым напором. На насосной станции размещаются главные насосные агрегаты, для обеспечения нормальной работы которых устраивают целый ряд вспомогательных систем: система всасывающих и напорных трубопроводов с необходимой арматурой; системы запуска насосов, смазки, электроснабжения, автоматики, управления, контроля и другие вспомогательные системы, включающие в себя сложное оборудование. На современных насосных станциях используются сложные системы автоматики, электроники и кибернетики.

Рисунок 1.1 - Общий вид установки

Насосная станция второго подъема (уровня) предназначена для подачи очищенной воды из резервуаров в водопроводы и распределительную сеть.

Области применения:

Насос предназначен для подачи чистых или слегка замутненных жидкостей без абразивных или длинноволокнистых включений и веществ, агрессивных по отношению к материалу деталей насоса.

· Отопительное оборудование;

· Системы водоснабжения;

· Системы вентиляции и кондиционирования;

· Перекачивание воды в системах водяного охлаждения;

· Перекачивание производственно-хозяйственной воды;

· Противопожарное оборудование.

Рассматриваемая насосная станция снабжена насосами К160/30 со следующими техническими данными (таблица 1.1):

Таблица 1.1 - Технические данные

Подача, м3/час	160
Напор, м	30
Максимальное давление выдерживаемое корпусом, мПа	1,6
Максимальное давление на входе, мПа	0,9

Насосы типа «К» - центробежные, консольные, одноступенчатые с односторонним подводом жидкости к рабочему колесу, предназначены для перекачивания чистой воды, производственно-технического назначения (кроме морской) с рН 6…9, температурой от 273 до 358К (от 0 до + 85С) и от 273 до 378К (от 0 до 105С), и других жидкостей, сходных с водой по плотности, вязкости и химической активности, содержащих твердые включения размером до 0,2 мм, объемная концентрация которых не превышает 0,1%.

* Уплотнение вала насоса - одинарное, двойное сальниковое или одинарное торцовое.

* Наибольшее допускаемое избыточное давление на входе в насос, для насосов с мягким сальником, 0,35 МПа (3,5 кгс/см2), с торцовым уплотнением 0,6 МПа (6,0 кгс/см2).

* Материал деталей проточной части - серый чугун.

Мощность электродвигателя определяется по характеристикам зависимости Q-H для данного типа насоса. В соответствии с ISO 5199 должен быть обеспечен запас по мощности. Для данного типа насоса по паспорту рекомендуется применять двигатель мощностью 22 кВт и частотой вращения 1450 об/мин.

Для данных насосов используется двигатели серии 4А. Учитывая технологические данные насосной станции для насоса К160/30 принимаем двигатель 4А180S4У3.

Рисунок. 1.2 - Вид насоса в разрезе: 1 - рабочее колесо; 2 - корпус; 3 - гайка; 4 - вал; 5 - сальник; 6 - опорная часть; 7-подшипники; 8 - упорное кольцо

1.2 Анализ технологического процесса

Рассматриваемая станция второго подъема состоит из трехнасосной группы. В данном технологическом процессе, как правило, применяется несколько параллельно установленных насосных агрегатов работающих на одну магистраль. При этом один или два насоса работают постоянно, а остальные могут включаться при аварийном останове рабочего насоса или для увеличения производительности насосной системы.

Рисунок 1.3 - Насосная станция второго подъема

Насос 1 является основным рабочим насосом, который постоянно поддерживает необходимы напор в сети, определяющийся режимом водопотребления и составом напорно-регулирующих сооружений системы водоснабжения. Насос 2 предназначен для поддержания (подкачки) заданного напора, если мощности насоса 1 не достает. Насос 3 является резервным, который вступает в работу в случаи выхода из строя насоса 1 или насоса 2.

Рисунок 1.4 - Система водоснабжения

Вода из источника 1 через водозаборное сооружение 2 и насосную станцию 3.1 поступает в очистные сооружения 4.1, где осуществляется предварительная очистка воды до уровня, соответствующего технологическому процессу. Далее вода собирается в резервуаре чистой воды(РЧВ) 5, конструкция и размеры которого определяются суммарной мощностью водопотребления предприятия (бак, башня, пруд и т.д.). Другое назначение РЧВ заключается в том, что с его помощью сглаживаются пиковые нагрузки в период наибольшего водопотребления. Далее по

водоводам 6 с помощью насосной станции второго подъема 3.2 вода поступает в водопроводную сеть предприятия 8. По напорной сети предприятия вода направляется потребителям 9.1-9.4. Отработанная вода и ливневые воды, проходя через очистные сооружения 4.2 по сбросной линии 13, сбрасываются в источник.

Согласно требованиям к насосным станциям, они должны быть максимально автоматизированы и работать без постоянного дежурства обслуживающего персонала.

Выполнение этого требования можно обеспечить лишь в случае применения системы автоматизированного управления. Данную систему целесообразно построить на базе программируемого контроллера, в функции которого входит анализ информации о состоянии объекта, поступающей с датчиков и выработка управляющих воздействий, а также выдача информации о ходе рабочего процесса на управляющую ЭВМ центрального диспетчерского пункта.

В процессе работы установки необходимо осуществлять контроль следующих параметров:

расхода жидкости через сетевой трубопровод;

напора в сетевом трубопроводе.

Следовательно, на контроллер должна поступать информация о расходе жидкости, напоре в сетевом трубопроводе, состоянии преобразователя и насосов. Контроллер же, в зависимости от расхода через сетевой трубопровод, должен подавать на преобразователь частоты сигнал задания на стабилизацию напора на необходимом уровне. Расчет необходимого напора, в зависимости от реального расхода, проводится по характеристикам сети.

1.3 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу

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

- Основным требованием к автоматизированному электроприводу является стабилизация напора. Процесс подачи воды является непрерывным. Выход из строя любого звена вследствие неисправности электрооборудования часто вызывает остановку всего завода, что связано с большими убытками и срывом производственного плана. Поэтому вопросу обеспечения надёжности работы электрооборудования насосной станции уделяется особое внимание. Электропривод должен нормально функционировать в условиях повышенной влажности, а также иметь максимально возможные показатели надежности.

А также:

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

- 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.

Таким образом, можно сформулировать требования:

к электроприводу

диапазон регулирования скорости 5:1;

перегрузочную способность не ниже 1,5;

плавный пуск насоса и разгон до заданной скорости (t_п=5с);

климатическое исполнение УХЛ4;

напряжение питания электропривода 380/220В;

в случае отказа преобразователя перейти в режим нерегулируемого насоса;

включение резервного насоса при увеличении потребления воды;

включение резервного насоса при выведении из строя.

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

Механическая энергия, вырабатываемая электрическим двигателем, используется для совершения необходимой механической работы и для управления технологическим процессом приводимого в движение механизма. Механическая часть системы включает в себя все механически связанные между собой движущиеся инерционные массы двигателя, передач и рабочего оборудования технологической установки. Непосредственное представление о движущихся массах установки и механических связях между ними дает кинематическая схема электропривода.

Рисунок 1.5 - Кинематической схема электропривода насоса

Рассмотрим кинематическую схему электропривода центробежного насоса. Ротор двигателя Д соединяется с помощью соединительной муфты СМ непосредственно с валом рабочего колеса насоса Н. Все элементы кинематической схемы движутся с одной и той же скоростью. На рабочем колесе насоса при работе развивается момент сопротивления движению , зависящий от скорости механизма :

,	(1.1)

где - номинальная скорость насоса, соответствующий его номинальной рабочей скорости ;

- момент механических потерь;

- статический момент насоса.

Кинематическая схема привода дает представление об идеальных кинематических связях между движущимися массами конкретной установки, однако она не отражает того важного обстоятельства, что все элементы кинематической цепи при нагружении в той или иной степени деформируются, т.е. обладают конечной жесткостью. Поэтому для анализа условий движения исследуемого механического объекта необходимо с помощью кинематической схемы составить расчетную механическую схему, в которой моменты инерции и моменты нагрузки вращающихся элементов массы, а также реальные жесткости механических связей заменены эквивалентными величинами, приведенными к одной и той же расчетной скорости.

Условием соответствия приведенной расчетной схемы реальной механической системе является выполнение закона сохранения энергии. При приведении необходимо обеспечить сохранение запаса потенциальной и кинетической энергии системы.

Инерционные массы двигателя и насоса (см. рис. 1.5) движутся с одной скоростью, если полагать связи между ними абсолютно жесткими. В действительности вал двигателя Д, эластичная соединительная муфта СМ и вал насоса Н имеют конечную жесткость, установка представляет собой многомассовую упругую систему с несколькими степенями свободы. С учетом жесткостей вала двигателя с₁ муфты с₂ и. вала насоса с₃ расчетная механическая схема показана на рис. 1.6.



Рисунок 1.6 - Расчетные механические схемы электропривода

Расчетная схема представлена в виде длинного безынерционного вала, в разных точках которого размещены сосредоточенные массы: двигателя J_1, ведущей J₂ и ведомой J₃ полумуфты и рабочего колеса насоса J₄. Представление о моментах инерции дают размеры соответствующих элементов схемы, изображающих массы, а жесткости с₁, с₂ и с₃ обратно пропорциональны длине соответствующих отрезков вала.

Вследствие конечной жесткости связей мгновенные угловые скорости масс , , , различны. Однако следует иметь в виду, что реальные деформации ограниченны, поэтому средняя скорость движения масс, на конечных отрезках времени должна быть одинаковой.

Рассматривая схему на рис. 1.6, а, можно установить, что главными массами в данном случае являются ротор двигателя J₁ и рабочее колесо насоса J₄, а наименьшей жесткостью обладает соединительная муфта с₂. Из физических соображений ясно, что малые массы полумуфт J₂ и J₃ не могут оказать заметного влияния на движение системы, поэтому полезно упростить схему, добавив малые массы J₂ и J₃ соответственно к J₁ и J₂. Результирующая податливость вала (величина, обратная жесткости) равна сумме податливостей его отдельных участков. Из этого условия определяется эквивалентная жесткость связи между основными массами:

.	(1.2)

В полученной таким образом двухмассовой упругой системе (рис. 1.6, б) сохраняются достаточно правильные представления о фактической скорости ротора двигателя и рабочего колеса насоса . так как вследствие малости масс J₂ и J₃ их движение полностью определяется движением основных масс системы J₁ и J₄.

Рисунок 1.7 - Обобщенная расчетная механическая схема электропривода

Обобщенная двухмассовая расчетная механическая схема электропривода представлена на рис. 1.7. Здесь суммарная приведенная масса элементов, жестко связанных с двигателем, аналогично предыдущему обозначена J₁. Суммарная масса элементов, жестко связанных с механизмом, представлена приведенным моментом инерции J₂. Безынерционная упругая связь между этими массами характеризуется приведенной эквивалентной жесткостью с₁₂. Суммарные моменты сопротивления на валу двигателя и механизма обозначены соответственно М_с1 и М_с2.

	(1.3)

Суммарный момент инерции равен:

.	(1.4)

2. Выбор системы электропривода

2.1 Анализ систем электропривода, применяемых в промышленной установке

В установках требующих плавного и автоматически регулируемого изменения подачи, напора либо давления электропривод выполняется регулируемым. Характеристики механизмов центробежного типа создают благоприятные условия работы регулируемого электропривода, как в отношении статических нагрузок, так и требуемого диапазона регулирования скорости.

Для установок сравнительно небольшой мощности (7-10 кВт), задача регулирования может решаться с помощью системы тиристорный регулятор напряжения - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (ТРН-АД). Вентиляторная механическая характеристика нагрузки позволяет обеспечить устойчивую работу электропривода в достаточно большом диапазоне скорости без обратных связей.

Развитие полупроводниковой техники позволяет реализовать импульсный способ регулирования скорости асинхронного двигателя при помощи изменения активного сопротивления в его статорной цепи. Тиристорный ключ ТК замыкаясь на время и размыкаясь на время изменяет средние за цикл коммутации значение дополнительного сопротивления , которое пропорционально скважности широтно-импульсной модуляции .

Регулируя скважность, можно получить семейство механических характеристик электропривода изображенных штриховыми линиями.

Скважность зависит от управляющего напряжения на входе системы управления тиристорным ключом СУ. Так как критическое скольжение двигателя уменьшается при увеличении добавочного сопротивления , то диапазон скоростей устойчивой работы электропривода даже при «вентиляторной» характеристике механизма оказывается весьма незначительным. Введение отрицательной обратной связи по скорости обеспечивает жесткость механических характеристик и устойчивую работу механизма в требуемом для механизма диапазоне скоростей. Механические характеристики системы с обратной связью по скорости.

Общим недостатком рассмотренных вариантов систем регулируемого электропривода является выделение потерь скольжения при снижении скорости в самом двигателе. Эти потери вызывают дополнительный нагрев двигателя и требуют соответствующего завышения его уставной мощности.

В отдельных случаях допустимо применение асинхронного двигателя с фазным ротором, возможности регулируемого электропривода расширяются.

Введение дополнительного сопротивления в цепь ротора позволяет вывести часть потерь скольжения из обмоток двигателя. Благодаря этому снижается необходимое завышение габарита двигателя и появляется возможность расширить диапазон мощности привода при рассмотренных выше способах регулирования. Импульсный способ регулирования сопротивления ротора асинхронного двигателя дает возможность плавного регулирования сопротивления, что позволяет также плавно регулировать скорость двигателя, что является основным достоинством импульсного регулирования сопротивления над реостатным.

Для мощных приводов находят применение асинхронные и синхронные двигатели в сочетании с регулируемыми муфтами скольжения. В варианте электропривода с гидромуфтой угловая скорость ведомой полумуфты изменяется за счет изменения подачи жидкости в полости муфты.

По экономичности данный способ аналогичен реостатному. Потери мощности скольжения при этом также выносятся из роторной цепи двигателя и выделяются в гидромуфте.

Во всех рассмотренных вариантах имеют место значительные потери скольжения, которые бесполезно рассеиваются в виде теплоты в обмотках двигателя, в регулировочных сопротивлениях либо в муфте скольжения и соответственно КПД такой системы электропривода значительно снижается.

Поэтому для электроприводов рассматриваемых механизмов в сотни и тысячи киловатт применяют каскадные варианты регулирования скорости электродвигателей, в которых потери скольжения возвращаются в сеть либо на вал двигателя. Применение каскадных схем для маломощных приводов не дает значительного увеличения КПД привода из-за малой эффективности.

Кроме того, использование коллекторных машин в системах электропривода уменьшает надежность системы и является еще одним общим недостатком рассмотренных вариантов.

При больших диапазонах регулирования (D>2) и высоких требованиях к жесткости механических характеристик перспективны системы электропривода с двухзвенными преобразователями энергии, которые повсеместно находят применение в последнее время. Отсутствие необходимости в электрическом торможении и реверсе упрощает структуру используемого преобразователя, позволяя выполнить его на базе автономного инвертора частоты (АИН) и неуправляемого выпрямителя. Автономный инвертор напряжения в настоящее время выполняется на базе IGBT-модулей, однако, возможно применение АИН на базе тиристоров.

Данная силовая схема представляет собой двухзвенный преобразователь, который состоит из неуправляемого выпрямителя (НВ) на стороне переменного тока и автономного инвертора (АИН). Оба звена - выпрямитель и инвертор отделены друг от друга звеном постоянного тока, в состав которого входят емкость, сглаживающий дроссель, а также включаемый отдельно специальный тормозной резистор, который редко применим на практике для рассматриваемого типа механизмов.

К достоинствам такой системы можно отнести также высокую надежность и отсутствие значительных дополнительных потерь при регулировании скорости.

2.2 Выбор рациональной системы электропривода

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

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

2.3 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода

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

Выходной сигнал регулятора частоты является управляющим преобразователя частоты. Преобразователь сам рассчитывает текущее значение скорости вращения и устанавливает необходимую.

3. Выбор комплектного преобразователя и датчиков координат электропривода

3.1 Выбор комплектного преобразователя

При выборе комплектного преобразователя необходимо учитывать достаточность частотного управления, что дешевле, чем ПЧ с векторным управлением.

Условия выбора преобразователя частоты (ПЧ) по току и напряжению имеют вид:

,

,

где - номинальное значение выходного тока преобразователя частоты, А;- входное напряжение преобразователя частоты, В.

Номинальный ток двигателя:

В соответствии с расчетными значениями основных параметров выбираем преобразователь частоты фирмы Siemens. Тип преобразователя Micromaster 430.

,

.

Преобразователь MICROMASTER 430 может использоваться для решения многочисленных задач, требующих применения приводов с изменяемыми скоростями вращения. Его гибкость обеспечивает широкий спектр применений. Более всего он подходит для использования c приводами насосов и вентиляторов. Преобразователь MICROMASTER 430 отличается высокой производительностью и комфортабельным использованием.

Таблица 3.1 - Параметры преобразователя частоты

Параметр	Значение
Мощность двигателя (кВт)	22
Рабочая температура	-10оС…40оС
Относительная влажность	95%(без образования конденсата)
Выходной ток (А)	45
Выходное напряжение	трехфазное от 380 до 480В
Перегрузочная способность	140% в течение 3 сек.
Торможение	Торможение постоянным током, комбинированное торможение, торможение выбегом
Параметры питания (U, f)	Силовой цепи	трехфазное от 380 до 480В - 50/60Гц
	Цепи управления	однофазное от 200 до 230В - 50Гц
Допустимые отклонения	по напряжению +10-15%, по частоте 5%
КПД	97%
Выходная частота	0Гц…650Гц
Дискретность задания	0,01Гц
Нормы и сертификация	разрешение Госгортехнадзора, Ростеста

Краткие характеристики:

- степень защиты IP20;

- перегрузка по току 140% в течение 3 ceк.;

- размеры преобразователя 520275245 мм;

- вес преобразователя 17 кг.

Механические параметры:

- модульное исполнение;

- рабочая температура;

- -10 ^оС… +40 ^оС;

- компактный корпус благодаря высокой удельной мощности;

- простое подключение сетевых кабелей и кабелей двигателей для оптимальной электромагнитной совместимости;

- съемная панель оператора;

- управляющая клеммная колодка без винтов;

Силовые параметры:

- новейшая технология IGBT;

- цифровое микропроцессорное управление;

- прямое управление потоком двигателя (FCC), для улучшения; динамических характеристик и оптимального управления двигателем;

- U/f-управление линейное;

- U/f-управление квадратичное;

- параметрируемая кривая зависимости U/f;

- режим энергосбережения;

- «подхват на ходу»;

- компенсация скольжения;

- функция выбора режимов: ручной / автоматический;

- автоматический повторный запуск при пропадании сети или нарушениях режима работы;

- каскадный запуск (управление через выходные реле включением и отключением дополнительных (до 3-х) двигателей);

- высококачественный PID контроллер (с автонастройкой) для простого управления производственными процессами;

- параметрируемое время разгона и торможения в пределах 0…650 сек.

- сглаживание кривой пуска;

- быстродействующее токоограничение (FCL) для безаварийной работы;

- быстродействующий, репродуцируемый опрос цифровых входов;

- точный ввод заданного значения благодаря 10-битному аналоговому входу;

- комбинированный торможение, для контролируемого быстрого останова;

- 4 частоты пропускания против резонанса;

Защитные параметры:

- перегрузочная способность - VТ (переменная нагрузка) режим: 1,5 х номинальный выходной ток в течение 60 сек;

- защита от перенапряжения и пониженного напряжения;

- защита от перегрева преобразователя;

- защита двигателя при помощи подключения терморезистора;

- защитное заземление;

- защита от короткого замыкания;

- тепловая защита двигателя i2t;

- защита от блокировки двигателя;

- защита от изменения параметров;

- защита от опрокидывания.

3.2 Выбор датчиков регулируемых координат электропривода

Для стабилизации и поддержания напора на заданном уровне необходимо выбрать датчик давления на выходе насосной станции. Выбираем датчик давления фирмы «Элемер» АИР-10/М1-ДА.

Краткие характеристики:

- 8 диапазонов измерения давления;

- отношение значения максимального верхнего предела к минимальному 25:1;

- линейная или корнеизвлекающая зависимость;

- изменение времени усреднения выходного сигнала (демпфирование);

- электромагнитная совместимость - группа исполнений III по устойчивости к помехам, критерий качества функционирования В.

- питание осуществляется от источников постоянного тока напряжением от 9 до 36В при номинальном значении 24В или 36В;

- допускаемая основная погрешность от 0,1%;

- степень защиты от пыли и влаги IP 65;

- масса, не более 0,185 кг.

4. Разработка математической модели автоматизированного электропривода

электропривод водоснабжение станция насосный

Математическая модель автоматизированного электропривода включает в себя следующие модели:

- математическая модель трехфазного асинхронного электродвигателя;

- математическая модель управляющего устройства (системы автоматического управления);

- математическая модель формирования момента на валу насоса.

При исследовании переходных процессов в трёхфазном асинхронном электродвигателе целесообразно принять следующие допущения, позволяющие в доступной математической форме выразить соотношения основных параметров и координат электродвигателя:

- намагничивающие силы обмоток двигателя распределены синусоидально вдоль окружности воздушного зазора;

- потери в стали статора и ротора отсутствуют;

- обмотки статора и ротора строго симметричны со сдвигом осей обмотки на 120є;

- насыщение магнитной цепи отсутствует.

Уравнения равновесия напряжений для обмоток трёх фаз статора имеют вид системы уравнений [3]:

	(4.1)

Соответственно для обмоток трёх фаз ротора в виде системы (4.2):



	(4.2)

где u1a, u1b, u1c - мгновенные значения фазных напряжений статора; i1a, i1b, i1c, iґ2a, iґ2b, iґ2c - мгновенные значения фазных токов статора и ротора; ш1a, ш1b, ш1c, ш2a, ш2b, ш2c - полные потокосцепления фазных обмоток;

R1, Rґ2 - активные сопротивления обмоток статора и ротора.

Асинхронный электродвигатель представляет собой систему магнитно-связанных обмоток, расположенных на статоре и роторе. При вращении ротора взаимное положение обмоток непрерывно изменяется, соответственно изменяется и взаимная индуктивность между ними. С учётом принятых допущений можно считать, что взаимная индуктивность пропорциональна косинусу текущего угла между осями обмоток ротора и статора. Полная система уравнений потокосцеплений в обмотках статора и ротора определяется уравнениями системы (4.3):

(4.3)

где L₁=L_1у+Lm, Lґ₂= Lґ_2у+ Lm - полные эквивалентные индуктивности фаз статора и ротора, состоящие из индуктивностей от полей рассеяния (L_1у, Lґ_2у) и главного потока (Lm=(3/2)•L₁₂);

L₁₂ - максимальная взаимная индуктивность между любой обмоткой статора и любой обмоткой ротора, которая имеет место при совпадении их осей; и2 - текущий угол между осями фаз ротора и статора.

При математическом описании трёхфазных асинхронных электродвигателей удобно оперировать не мгновенными значениями координат, а их результирующими векторами.

	(4.4)

где

Аналогично определяются результирующие вектора напряжения:

,	(4.5)

и потокосцепления:

	(4.6)

Используя выражения результирующих векторов, уравнения (4.1.) можно записать в виде одного дифференциального уравнения в векторной форме:

	(4.7)

или в векторной форме:

	(4.8)

Аналогично векторное уравнение напряжений для ротора:

	(4.9)

Для определения электромагнитного момента асинхронного электродвигателя используется векторное произведение ш₁ и i₁, тогда:

.	(4.10)

Для полного описания переходных процессов в асинхронном электродвигателе к уравнениям напряжений и моментов следует добавить уравнение:

	(4.11)

Полученная система уравнений электродвигателя является нелинейной поэтому расчет электромагнитных процессов для динамических режимов работы электродвигателя заметно затруднен и для этого может быть использовано применение расчетов с помощью ЭВМ.

Дадим математическое описание технологической части установки. Рассмотрим насосную установку водоснабжения соединенную с сетью без статического напора как объект регулирования напора жидкости.

Регулируемой величиной в сети является напор, который изменяют путем увеличения подачи насоса. Водопроводную сеть без статического напора можно представить в виде апериодического звена с коэффициентом передачи равным обратному значению сопротивления сети и сравнительно большой постоянной времени (около 3с). Следовательно, входной величиной рассматриваемого звена (объекта) будет являться напор в сети, а выходной - подача насоса в сеть.

Блок СУЭП (система управления электроприводом) включает в себя комплектный преобразователь и двигатель.

Данная структурная схема отражает математическое описание объекта управления (насоса, включенного в водопроводную сеть без статической составляющей напора). Зависимость Н_н(Q²; ) имеет вид формулы 4.3, а зависимость М (Q; ) определена при расчете нагрузочных диаграмм.

При изменении давления на выходе насоса давление в диктующей точке сети изменяется по экспоненциальному закону. Поэтому водопроводную сеть можно представить в виде апериодического звена:

	(4.14)

где Т_с - постоянная времени, определяемая протяженностью и конфигурацией сети.

Постоянную времени сети Т_с принимаем равной 0,5 с. Апериодическое звено с постоянной времени Т₀ моделирует перепады давления из-за неравномерности выброса воды насосом, принимаем постоянную времени Т₀ = 0,02 с.

Коэффициент обратной связи по напору К_ос определим как:

Кос = Uз max / Нmax,	(4.15)

где Н_max - максимальный напор в сети (17 м); U_{з max} - максимальное напряжение задания, принимаем равным 10 В.

Таким образом, К_ос = 10 / 17 = 0,588 м/В.

Расчет параметров объекта управления

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

Электромагнитная постоянная времени двигателя:

.	(4.16)

Параметры схемы замещения:

X_m^*=4 о.е. - комплексное сопротивление намагничивающего контура;

X'2^*=0,12 о.е. - комплексное сопротивление ротора;

X1^*=0,08 о.е. - комплексное сопротивление статора;

R1^*=0,041 о.е. - активное сопротивление статора;

R'2^*=0,021 о.е. - активное сопротивление ротора;

Все вышеперечисленные параметры относятся к «Т» - образной схеме замещения.

5. Разработка программного обеспечения для компьютерного моделирования автоматизированного электропривода

Имитационная модель автоматизированного электропривода c преобразователем частоты должна отразить все электромагнитные и электромеханические процессы, протекающие при работе установки и принцип управления электродвигателем с помощью преобразователя частоты. В нашем случае имитационная модель включает в себя следующие подмодели:

- модель трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (модель основана на параметрах Т-образной схемы замещения АД и его основных параметрах);

- модель преобразователя частоты;

- модель момента нагрузки.

Реализацию будем производить при помощи программного пакета MATLAB 6.5 приложения SIMULINK 5.0.

Для реализации модели трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором возьмем готовую модель данного двигателя в библиотеке силовых элементов. Для преобразования сигналов, полученных на элементах библиотеки SIMULINK в сигналы, подходящие по уровню для элементов библиотеки SimPowerSystems используем преобразователи типа «Контролируемый источник напряжения». (Controlled Voltage Source)

Для измерения параметров двигателя используем демультиплексор измеряемых величин машины (Machines Measurement Demux).

Также будем использовать различные средства для контроля и графического представления полученных результатов.

Технологическая часть электропривода иминационной модели будет реализована операясь на структурную схему электропривода.

Заключение

В соответствии с заданием на курсовой проект был разработан электропривод и система автоматического управления насосной установки.

Система управления позволяет избежать гидравлических и пневматических ударов в водопроводной сети путем поддержания на заданном необходимом уровне напора воды. Наличие датчика разности давлений (расхода) позволяет рассчитать напор, необходимый для обеспечения требуемого расхода, что позволяет сделать систему более экономичной.

Применение регулируемого привода увеличивает срок службы двигателя привода насоса и обеспечивает требуемую подачу воды и соответствующий ей расход электроэнергии. Используется асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и с комплектным преобразователем частоты.

Размещено на Allbest.ru