Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КАМЧАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КОЛЛЕДЖ

Курсовой проект

на тему:

Выбор и расчет электроприводов насосов ГД судна СРТМ

Выполнил:

Никонов С.А.

г. Петропавловск-Камчатский

2020 г.

Задание на курсовой проект

электропривод судно насосная установка

Никонов Семен Андреевич

1. Тема курсового проекта: «Выбор и расчет Электроприводов насосов ГД судна СРТМ»

2. Исходные данные к курсовому проекту:

Материалы производственной практики, техническая литература, техническая документация, методические пособия по судовым электроприводам.

Определить: тип и количество электродвигателей, необходимую аппаратуру.

3. Содержание курсового проекта:

Введение

1. Описание судна и его энергетического оборудования.

2. Предназначение и характеристики судовых электроприводов.

3. Расчет мощности и выбор электрооборудования.

4. Выбор коммутационной аппаратуры

5. Моделирование системы управления электропривода

6. Техника безопасности при обслуживании судовых электроприводов

Заключение

Список используемой литературы

Реферат

Курсовая работа с., табл., рис., источников.

Курсовая работа включает введение, 6 разделов, заключение, список используемой литературы.

В разделе 1 приведено описание судна и его энергетического оборудования.

В разделе 2 приведено предназначение и характеристики судовых электроприводов.

В разделе 3 расчет мощности и выбор электрооборудования.

В разделе 4 обоснован и проведен выбор коммутационной аппаратуры.

В разделе 5 описано моделирование системы управления электропривода.

В разделе 6 описана техника безопасности при обслуживании судовых электроприводов.

В заключении приведены общие выводы по выполненной курсовой работе.

Содержание

Введение

1. Описание судна и его энергетическое оборудование

2. Предназначение и характеристики судовых электроприводов

3. Расчет мощности и выбор электрооборудования

4. Выбор коммутационной аппаратуры

5. Моделирование системы управления электропривода

6.Техника безопасности при обслуживании судовых электроприводов

Заключение

Литература

Введение

Развитие электрооборудования судов тесно связано с развитием электротехники и электротехнической промышленности и имеет более, чем полуторавековую историю, начало которой положил русский ученый академик Б.С. Якоби. В 1838 году на реке Неве он испытал первое в мире судно с электрической гребной установкой.

Позднее электроэнергия на судах стала использоваться для освещения, а также для питания сигнальных и отличительных огней.

Начало применения электротехники для судовых электроприводов относится к концу XIX в. и связано с установкой электровентиляторов на крейсерах «Лейтенант Ильин» и «Адмирал Нахимов».

В последующие годы процесс электрификации судов непрерывно продолжается, что объясняется ростом надежности электрических машин, их высоким к.п.д., легкостью преобразования электроэнергии в другие виды энергии. Электрифицируются механизмы машинного отделения, бытовые потребители и ряд других установок и механизмов.

В процессе своего развития электрооборудование судов выполнялось как на постоянном, так и на переменном токе, однако начиная с середины XX в. был взят курс на внедрение трехфазного переменного тока, обладающего рядом существенных преимуществ по сравнению с постоянным. Главным из них является высокая надежность электрических машин, а также простота преобразования переменного напряжения в различные уровни напряжения, а также в напряжение постоянного тока.

Современные суда характеризуются высокой степенью электрификации. Электроэнергия широко используется для управления судном, для работы различных вспомогательных и палубных механизмов, для электродвижения, радио- и электронавигационных приборов, для осуществления внутрисудовой связи и сигнализации, бытовых целей.

Последние достижения автоматического управления, вычислительной и полупроводниковой техники сделали возможным автоматизацию всех производственных процессов на судне.

Ориентируясь на некоторые показатели, такие, как среднее количество устанавливаемого электрооборудования и средняя мощность судовых электроустановок, можно констатировать, что в настоящее время уровень электрификации судов непрерывно повышается.

На современных морских судах устанавливаются сотни электрических машин и десятки тысяч электрических аппаратов и приборов, прокладываются сотни километров кабеля. Мощность судовых электростанций достигает нескольких тысяч киловатт, а мощность отдельных электроприводов составляет несколько сотен киловатт. Можно ожидать, что в недалеком будущем некоторые суда будут иметь электростанции мощностью 50-200 МВт.

1. Описание судна и его энергетическое оборудование

якорный швартовный грузоподъемный электропривод

Технические характеристики судна СРТМ «Арктик-Лидер» представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристика судна

Бортовой номер	Х-0523
Международные позывные	UAEZ
Год постройки	1988г
Страна постройки	Дания, Фредериксхавн
Порт приписки	Петропавловск-Камчатский
Назначение судна	Добыча и обработкасырья
Типсудна	СРТМ пр. FVS-419 типа «Стеркодер»
IMO	8702393
Судовладелец, фрахтователь	ООО «Поларис»
Длинанаибольшая, М	55,33
Ширина, М	12,8
Высота борта, М	7,69
Осадка по летнею гр. Марку, М	6,599
Вместимость валовая, р/т (Брутто)	1910
Вместимость чистая, р/т (Нетто)	573
Водоизмещение по летнюю гр. Марку, Т	3043
Дедвейт, Т	1167
Скорость паспортная, уз.	14,2
Автономность проектная, сут.	45
Количество коечныхмест	66
Район плавания	Неограниченный
Тип силовой установки	VASA 6R 32E
Мощность ГСУ, кВт	2425
Мощность ГСУ, л.с.	3295
Степень автоматизации	А1
Деление на отсеки	3
Ледовый класс	1Л1
Трюма: количество 2, м3каждого	166 м3 903 м3
Реф. Трюма: количество 1, м3	903 м3
Размерлюка	2460 х 3260 мм

На СРТМ главным движителем является - главная энергетическая установка (ГЭУ) (рис. 1) - дизель-редукторная, с ВРШ. Дизель-редукторный агрегат (ДРА) включает:

- один главный дизель (ГД),WARTSILAVASADISEL 6R32E;

- одна соединительная эластичная муфта, для соединения ГД с редуктором;

- редуктор, обеспечивающий передачу крутящего момента на ВРШ и ВГ переменного тока, через промежуточный вал, мощностью 1300 кВт каждый;

- упорный подшипник, встроенный в редуктор;

-две соединительных эластичных муфты для соединения редуктора с ВГ:

- тормоз;

- механизм изменения шага (МИШ) в редукторе;

- винт регулируемого шага.

Рисунок 1 - Схема главной энергетической установки

Главный Двигатель - четырехтактный, рядный, нереверсивный с газотурбокомпрессором, основные характеристики которого приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Характеристики главного двигателя

Параметры	Значение параметров
Марка дизеля Номинальная мощность, кВт. Номинальная частота вращения, мин.-1 Ход поршня, мм. Диаметр цилиндра, мм. Число цилиндров. Удельный эффективный расход топлива, г/кВтЧч. Удельный расход масла, г/кВтЧч. Температура выпускных газов перед турбиной, єС. Температура выпускных газов после турбины, єС. Температура охлаждающей воды вход/выход, єС. Порядок работы цилиндров с левым направлением вращения	VASA 6R 32E 420 750 320 280 6 230 1,3 520 520 85/95 1-5-3-6-2-4

Рисунок 2 - Главный двигатель

2.Предназначение и характеристики судовых электроприводов

Судовые электроприводы являются основными потребителями электроэнергии, вырабатываемой судовой ЭЭС.

История развития судового электропривода, начатая в 1838 г. академиком Б.С. Якоби, продолжилась внедрением на ряде крейсеров российского флота - в 1886 г. корабли были оборудованы электровентиляторами.

Первый электропривод рулевого устройства был использован на крейсере «Двенадцать апостолов» в 1892 г., а первая отечественная грузовая электролебедка была установлена на транспортере «Европа» в 1897 г. На протяжении следующих 6-8 лет электрифицируются якорные устройства, насосы, воздуходувки, компрессоры, установки вооружения.

В 1904 г. на Сормовском заводе были спущены на воду дизель-электроходы «Вандам» и «Сармат».

Первые судовые электроприводы выполнялись исключительно на постоянном токе напряжением, не превышающем, как правило, 110 В.

С 1908 г. начинается внедрение судовых электроприводов переменного тока. На минном заградителе «Амур» устанавливаются трехфазные электродвигатели вентиляторов и водоотливных насосов. В 1914 г. на линкорах «Императрица Екатерина Великая» и «Императрица Мария» полностью электрифицируются вспомогательные механизмы с применением электроприводов переменного трехфазного тока.

В период с 1960-го по 1970-е гг. осуществляется переход к использованию на судах электроэнергии преимущественно переменного тока. Важную роль в этом сыграло внедрение многоскоростных асинхронных электродвигателей (серия МАП).

В настоящее время обеспечивается автоматическое управление электроприводами с использованием современной полупроводниковой техники. По мере развития судовых электроприводов наблюдается переход от автоматизации отдельных операций к комплексной автоматизации судовых энергетических систем. В системы управления электроприводом все чаще включаются вычислительные машины, микропроцессоры, с большой точностью осуществляющие операции управления, ранее выполняемые человеком.

Электропривод - это управляемая электромеханическая система, осуществляющая преобразование электрической энергии в механическую и наоборот.

Электропривод состоит из преобразовательного устройства, электродвигателя, механической передачи и управляющего устройства, а его функциональная схема может быть представлена в следующем виде (рис.3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Функциональная схема электропривода

Преобразовательное устройство предназначено для преобразования вида электроэнергии (переменного тока в постоянный или наоборот) и ее регулирования (электромашинные, тиристорные, частотные и другие преобразователи). Электродвигатель выполняет роль электромеханического преобразователя, преобразуя подводимую к нему электрическую энергию в механическую. Электродвигатели делятся на машины постоянного и переменного тока.

Механическая передача предназначена для преобразования параметров движения (уменьшения, увеличения частоты вращения, преобразование вращательного движения в поступательное и т.д.). К этим устройствам относятся: редукторы, коробки передач, цепные, ременные, винтовые передачи, барабан с тросом, передача винт-гайка, кривошипно-шатунный механизм и т.д.

Управляющее устройство представляет собой систему управления электроприводом, обеспечивающую ему достаточную степень управляемости и регулирования основных параметров движения.

В составе электропривода могут отсутствовать преобразовательное устройство (двигатель питается непосредственно от сети), или механическая передача (у вентилятора крыльчатка насажена на вал двигателя).

Электроприводы можно разделить на одиночные и многокоординатные.

Одиночным называется электропривод, в котором рабочий орган машины приводится в действие одним электродвигателем (электропривод шпиля).

Многокоординатным или многодвигательным называют электропривод, в котором каждый из рабочих органов машины приводится в движение отдельным электродвигателем. Так в электроприводе грузоподъемного крана механизмы поворота платформы, вылета стрелы и подъема груза приводятся в движение своим электродвигателем. Применение многокоординатного электропривода упрощает кинематическую схему и конструкцию электромеханической системы.

По способу управления электроприводы делят на неавтоматизированные, автоматизированные и автоматические.

Неавтоматизированный электропривод предусматривает участие человека в выработке управляющих воздействий и компенсации последующих возмущений.

Автоматизированный электропривод требует участия человека только в выработке начального управляющего воздействия.

Автоматическим считается электропривод, где роль человека сводится лишь к наблюдению за работой электромеханической системы.

По роду тока различают электроприводы постоянного и переменного тока.

Судовые электроприводы, приводящие в действие судовые механизмы, делятся на рулевые, якорно-швартовные, грузоподъемные, вспомогательные (электроприводы, обслуживающие механизмы главной силовой установки судна).

3. Расчет и выбор электродвигателя для насоса

Основное звено в системе электропривода - электродвигатель. Известно, что надежность электропривода повышается за счет применения асинхронных двигателей, при этом снижаются капитальные затраты и эксплуатационные расходы.

Описание насосного оборудования.

Насосная станция второго подъема для повышения надежности имеет два центробежных насоса типа 1Д315-71.

Рисунок 4 - Станок 1Д315-71

Центробежные насосы двустороннего входа используются для перекачивания воды и других жидкостей, которые имеют свойства, сходные с водой по вязкости до 36*10-6 м2/с (36сСт) и химической активности, температурой от 274 до 358К (от 1 до 85°С), не содержат твердые включения по массе более 0,05%, размеру более 0,2 мм и микротвердостью более 6,5 Гпа (650кгс/мм²) [20].

Таблица 3 - Номинальные данные центробежного насоса 1Д315-71

Параметр	Обозначение	Значение	Ед. измерения
Подача	Q	315 (0,087)	м3/час (м3/с)
Напор	H	71,00	м
Частота вращения	n	1450 (24.2)	об/мин (сек-1)
Максимальная потребляемая мощность	N	97,00	кВт
Допускаемый кавитационный запас	?H	6,5	м, не менее
Масса насоса	m	450	кг
КПД	н	83	%
Момент инерции	Jн	1.91	кгм2

Насосы относятся к тем механизмам, в которых нельзя точно сказать, какая нагрузка будет на валу двигателя в данный момент времени. Если рассматривать работу насосов статистически, то большую часть времени потребление воды будет небольшим, соответственно система регулирования снизит скорость насосов настолько, чтоб напор держался постоянным. Ввиду этого потребление мощности из сети будет небольшим, но вполне возможны и такие случаи, при которых потребление и, следовательно, скорость будут высоки. Поэтому двигатели следует выбирать под номинальные параметры насоса.

Определим мощность на валу двигателя:

где g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения;

= 1000 кг/м³ - плотность воды;

Q_н.N = 0,087 - номинальная производительность насоса, м³/с;

H_н.N - номинальный напор насоса, м;

ДH = 6,5 - кавитационный запас, м;

_н.N=0,83- номинальный КПД насоса.

Поэтому двигатели, которые установлены на насосной станции, имеют номинальную мощность свыше 79,69 киловатт. По характеристикам сделаем выбор асинхронного двигателя исходя из рекомендации производителя насоса.

Согласно рекомендации производителя насоса и мощности, выберем асинхронный двигатель, имеющий мощность 110 киловатт серии 5АМ [11] 5AM280S4, запишем номинальные данные двигателя (таблица 4).

Вид электродвигателя 5АМ280S4 У3 (рисунок 5).

Рисунок 5 - Асинхронный двигатель 5АМ280S4 У3

Таблица 4 - Номинальные данные электродвигателя 5АМ280S4 У3

Тип двигателя	Номинальная мощность, кВт	Номинальная частота вращения, об/мин	Коэффициент полезного действия, %	Коэффициент мощности	Номинальный ток при 380 В, А	Номинальный момент, Нм	Индекс механической характеристики	Отношение пускового момента к номинальному моменту	Отношение пускового тока к номинальному току	Отношение максимального момента к номинальному моменту	Динамический момент инерции ротора, кгм2	Масса, кг
5AM280S4	110	1455	95,1	0,87	202	707	II	2,1	6,4	2,4	2,19	742

Во всех подобных системах для повышения напора использование только насосной установки, недостаточно. Установка должна регулировать давление в водонапорной сети, чтобы снизить энергетические затраты, уменьшить расход воды, а также уменьшить количество используемой аппаратуры.

4. Выбор преобразователя и вспомогательного оборудования

Функцию преобразования необходимых параметров энергии сети питания к таким количественным значениям, которые нужны для нормальной работы двигателя, и функцию преобразования количества электрической энергии, которая подводится к двигателю для регулирования скорости и выполняет преобразователь. Как было рассмотрено ранее, в качестве преобразователя принят преобразователь, на базе инвертора напряжения на IGВТ-транзисторах со скалярной ШИM-модуляцией.

При выборе необходимо руководствоваться такими основными требованиями:

- преобразователь должен обладать высокой надежностью при всех режимах работы;

- преобразователь должен обладать простотой системы управления;

- преобразователь должен обладать минимально возможной стоимостью.

В качестве преобразователя выбираем преобразователь частоты на транзисторах 3G3НV-В11К японской фирмы ОМRОN [12].

Инвертор большой мощности 3G3НV легко обслуживается, имеет расширенные возможности, такие как Пропорциональное Интегральное Дифференциальное регулирование и работа в энергосберегающем режиме.

По своей схеме это преобразователь, имеющий два звена автономный инвертор и неуправляемый выпрямитель ШИМ. Его силовая часть построена на транзисторах, в своей основе это транзисторы типа IGВТ (биполярные транзисторы).

Преобразователь имеет систему управления на микропроцессоре, и предназначен для управления двигателем мощностью около 130 киловатт.

Линейное напряжение привода с преобразователем составляет 380 вольт. Система управления содержит встроенный Пропорциональный Интегральный Дифференциальный регулятор, параметры регулятора вводятся с пульта управления.

Можно настроить регулятор для регулирования в водопроводной магистрали давления. Задание давления, и обратную связь можно производить в аналоговом виде, при помощи многофункциональных аналоговых входов.

Также преобразователь может обеспечить плавный пуск и плавное торможение двигателя.

Встроенные защитные модули содержат максимальную токовую защиту двигателей, имеет защиту от перегрузки по напряжению, имеет защиту от перегрева, имеет защиту от перегрузки.

Таблица 6 - Номинальные данные на преобразователь

Напряжение, В	220/380
Частота, Гц	50/60
Номинальная мощность, кВт	130
КПД	90 %
Сопротивление заземления не более, Ом	10
Параметры аналоговых входов	Напряжение, В	0..10 пост. тока
	Ток, мА	4..20
Максимальная длина кабеля между преобразователем и двигателем, м	100

Рисунок 6 - Преобразователь 3G3НV-В11К японской фирмы ОМRОN

В таблице 6приведены характеристики преобразователя 3G3НV-В11К японской фирмы ОМRОN.

Преобразователь обеспечивает режимы работы приводных машин:

- обеспечивает плавный пуск;

обеспечивает длительную работу в нужном диапазоне нагрузок и частот вращения;

обеспечивает реверсирование движения;

обеспечивает торможение и останов;

обеспечивает защиту механического и электрического оборудования.

Эффективность применения электропривода обусловлена:

довольно высоким качеством динамических и статических характеристик;

обладает большими энергетическими показателями;

обладает гибкой настройкой параметров и режимов;

обладает развитым интерфейсом и приспособленностью к различным системам управления;

обладает высокой монтажной и наладочной готовностью;

обладает простотой и удобством в управлении и обслуживании.

Рисунок 7 - Силовые цепи преобразователя частоты

Выбор датчиков давления

Датчики разрабатываются рядом фирм. В дипломном проектировании выбран датчик фирмы «Меtrаn»:

Рисунок 8 - Внешний вид датчиков фирмы Меtrаn-100

Датчики фирмы Меtrаn-100 предназначены для работы в различных системах по автоматическому контролю, регулированию и управлению и обеспечивают преобразования давления в аналоговый сигнал.

Исходя из номинального давления насоса сделаем выбор датчика

Р_макс= кН_ном= 1,26,5= 7.8 атм.

Выберем датчик с ближайшим рабочим давлением серии Метран-100-ДИ

Они предназначены для работы в таких системах, где имеется автоматический контроль, регулирование и управление технологическими процессами и предназначены для обеспечения непрерывного преобразования в токовый либо цифровой на базе HART-протокола выходной сигнал на базе HART-протокола дистанционной передачи для следующих величин измерения:

- избыточного давления.

Измерение среды: пар, газ, жидкости, газообразный кислород и газовые смеси.

Диапазоны давлений:

- максимальный 0-100 Мпа;

- минимальный 0-0,04 кПа;

Степень защиты от воды и пыли IР65.

Основная погрешность датчика: ±0,1процента, ±0,15 процента, ±0,25 процента, ±0,5 процента;

Выходные сигналы:

- непрерывный аналоговый сигнал;

- цифровой сигнал в стандарте НАRT;

Возможности датчика:

- осуществлять контроль текущего измеряемого давления;

- осуществлять контроль и настройку параметров датчика;

- осуществлять установку «нуля»;

- осуществлять выбор системы;

- осуществлять настройку времени усреднения;

- осуществлять перенастройку диапазонов измерения;

- осуществлять настройку на «смещенный» диапазон;

- осуществлять выбор зависимости сигнала от входного значения;

- осуществлять калибровку датчика;

- осуществлять непрерывную самодиагностику;

- осуществлять тестирование и управление всеми параметрами датчика;

- осуществлять защиту настроек.

Интервал между поверками - 3 года;

Гарантия эксплуатации - 3 года.

Вид датчика Meтран-100-Ди показан на рисунке 9.

Рисунок 9 - Общий вид Meтран-100-Ди

Выбор кабелей питания

Расчет сечения кабеля для питания установки сделаем по допустимому току.

Сечение кабелей напряжением менее 1000 вольт, исходя из условий нагрева, выберем в зависимости от длительной токовой нагрузки. Сечение кабеля выбирается по условию нагрева расчетным током

где I_Р - расчетный ток:

- допустимый ток на кабели;

k1=1 - поправочный коэффициент (табл. 32, [8]);

к2=0.85 - поправочный коэффициент на количество работающих кабелей, в земле в трубах или без.

Выбираем сечение жил 95 мм2 для номинального тока I_Н. =255 ампер.

Проверим падение напряжения в кабеле длиной 100 м

где - проводимость,

- удельное сопротивление.

и составляет 3.75 процента от напряжения питания. Выбираем кабель FG7R-0.6/1 3х95 мм²+ 1х50 мм².

Кабель состоит:

- проводник: медный;

изоляция жил выполнена из этилпропиленовой резины;

наполнитель: материал, с низким выделением газов;

внешняя изоляция: ПВХ.

Технические характеристики:

- напряжение номинальное: 0,6/1 киловольт;

температура рабочая: до 90°цельсия;

температура при коротком замыкании: 250°цельсия;

-минимальная температура: 0°.

Применение:

- неподвижный монтаж вне помещений, прокладка в земле.

К особым характеристикам относится хорошая сопротивляемость к индустриальным маслам.

Внешняя изоляция имеет серый цвет.

Выбор защитной аппаратуры

В качестве защитной аппаратуры электроустановок применяются либо плавкие предохранители, либо автоматические выключатели и электромагнитными расцепителями.

Автоматически выключатель выбирают исходя из номинального тока, а настройку тока расцепителя производят согласно допустимым токам перегрузки и короткого замыкания.

Выбираем выключатель автоматический с электронным расцепителем TеаmВreаk ХS400SЕ-С 250А фирмы ТЕRASАКI [20],

- номинальное напряжение 380 вольт;

- номинальный ток 250 ампер.

Рисунок 10- Автоматический выключатель TеаmВreаk ХS400SЕ-С 250А

5. Моделирование системы управления электропривода

Проектируемая система является одноконтурной системой управления, с одним контуром давления.

Схема системы показана на рисунке 11.

Рисунок 11 - Структурная схема системы управления давлением

На схемерегулятор давления РД.

К_Д - коэффициент определим по формуле:

К_ДД - коэффициент определим по формуле:

Расчет параметров передаточных функций объекта управления [22].

Объект управления можно описать функциональной схемой (рисунок. 12).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 12 - Функциональная схема

На рисунке следующие обозначения:

асинхронный двигатель АД;

центробежный насос ЦН;

напряжение статора U_s;

f_s - частота тока статора;

- угловая скорость;

M_с - статический момент;

H_нас - напор на выходе;

H_вх - напор на входе;

Q - производительность;

S_г - гидравлическое сопротивление магистрали, с²/м⁵.

Нагрузка центробежных насосов, вентиляторов называется нагрузкой вентиляторной. Статический момент в таких механизмах зависит в основном от скорости вращения колеса. Для вывода зависимости моментов сопротивления на валу электродвигателя от его скорости вращения нужно иметь математическое выражение характеристик насоса и иметь характеристики трубопровода.

Главными параметрами насоса это подача и напор.

Подачей Qэто объем жидкости, который подаётся насосом за единицу времени.

Величина напора Н определяется разностью содержания энергии в одном килограмме жидкости на участке от входа до выхода.

Дифференциальное уравнение насоса имеет вид

,

m - масса воды в насосе и трубопроводах;

g -ускорение;

- плотность. Согласно уравнению, можно составить схему (рисунок 13).

Рисунок 13 - Структурная схема

Приведенная схема является излишне громоздкой и требует учитывать множество параметров. Для решения задач по автоматизации нужно эту схему линеаризовать, используя подобия

Q₂ = Q_H, H₂ = H_H, ₂ = _H; Q₁ = Q_*, H₁ = H_*, ₁ = _*;

где Q_H, H_H, _H - номинальные значения всех параметров насосной станции;

Q_*, H_*, _* -значения параметров.

Тогда уравнение будет иметь вид:

Значения подачи и напора насоса выразим посредством скорости на валу электродвигателя

Если не учитывать инерцию преобразователя частоты и инерцию электромагнитных цепей электродвигателя, считая, что они на порядок меньше, чем постоянная времени привода, и связь объекта с электроприводом через момент, считая, что жесткость характеристики двигателя высокая, то структурную схему можно линеаризовать и упростить (Рисунок 13).

Вычислим корень уравнения;

- постоянный коэффициент.

Гидравлическая сеть и насос - инерционные звенья, они могут быть записаны апериодическим звеном:



- коэффициент преобразования,

- постоянная времени

Насос -- это нелинейная сложная система, а мы работаем в области малых отклонений, линеаризуем коэффициент передачи этого насоса.

Значение с. Вследствие этого, при синтезе системы такой незначительно постоянной времени вполне допустимо пренебречь и полагать, что насос является безинерционным звеном:

Тогда модель насоса примет вид, который показан на рисунке 14.

Рисунок 14 - Модель насоса

Руководствуясь Т-образной схемой замещения и схемой динамического обобщенного электрического двигателя, производится математическое создание асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и производится разработка его модели в динамике.

Рисунок 15 - Схема замещения асинхронного двигателя

Параметры этой схемы замещения определим по формуле:

Где X - индуктивное сопротивление;

R'₂, X'₂ - активное и индуктивное сопротивление обмотки ротора, которые приведены к обмотке статора;

R^'₁, X^'₁ - активное и индуктивное сопротивление обмотки статора;

X₁, X^''₂, R₁, R^''₂ - сопротивление статора и сопротивление ротора;

U_1фн, I_1фн - номинальное фазное напряжение в вольтах и тока в амперах.

При математическом описании асинхронного двигателя, как объекта управления, можно принять следующие допущения:

- в двигателе намагничивающие силы распределяются точно синусоидально вдоль всей окружности зазора;

- отсутствуют потери в “стали”;

- обмотка статора и обмотка ротора симметричны и сдвинуты на 120??относительно друг друга.

- отсутствует насыщение магнитных цепей.

Преобразователь частоты -- это нелинейный дискретный объект с довольно ограниченной управляемостью, но можно говорить, что характеристика ПЧ, в качестве нелинейного объекта не сказывается существенно на работе системы. Потому что частота среза в контуре регулирования, находится ниже частот, которые могут оказать существенное влияние на динамику транзисторного преобразователя, и переходные процессы в системе по времени заметно превышают период дискретизации. Зачастую, выпрямитель во время разработки систем управления приводами представляют в виде некого апериодического звена, который имеет коэффициент передачи К_в и постоянной времени Т_в, а инвертор и совсем как безинерционное звено К_и

Для того, чтобы синтезировать регуляторы системы управления будем использовать линеаризованную модель преобразователя (рисунок 16):

Рисунок 16 - Линеаризованная модель

Где К_ПЧ - коэффициент усиления;

Т - постоянная времени.

Трехфазный асинхронный электродвигатель подключен к симметричной синусоидальной сети напряжением

Где U_m - амплитуда питающего напряжения;

f₁ - частота.



Рисунок 17 - Структурная схема

Перейти к системе координат () можно на основании соотношений (Рисунок 18)

Рисунок 18 - Преобразование напряжений

Рисунок 19 - Структурная схема ПЧ-АД

При исследовании этих переходных процессов был использован пакет математического моделирования Simulink 4.0, который входит в систему МАТLAB 6.5R13 и для этого собрана схема системы ПЧ. В этой структурной схеме Subsystеm представляет из себя ПИД-регулятор.

где - ток статора номинальный.

Взаимная индуктивность:

Гн

Вычислим индуктивность статора:

Гн

Вычислим индуктивность ротора:

Гн

где коэффициент передачи:

Рисунок 20 - Структурная схема

Где К_ПЧ =3,125 Гц/mА, - коэффициент усиления ПЧ,

f_1H = 50 Гц - частота,

I_З = ток задания

Т = постоянная времени.

Для реальных систем Т = 0,008 0,01 с, принимаем Т = 0,01.

р - число пар полюсов;

рад/с - холостой ход;

- номинальная скорость;

- номинальное скольжение;

- критическое скольжение;

где л- отношение момента максимального к моменту номинальному,

- коэффициент передачи;

- постоянная времени электромагнитная;

- модуль жесткости;

- момент инерции суммарный;

- постоянная времени электромеханическая

На основании полученных параметров, наша передаточная функция примет вид:

Важной частью в системе регулирования напора -- это датчик давления. Его выбираем, ориентируясь на номинальный напор насоса. Сделаем перерасчёт номинального напора насоса в номинальное давление:

.

На основании расчёта выбираем датчик Метрaн 100ДИ на давление 1 МПа. С целью повышения защиты от помех, датчик давления снабжён токовым интерфейсом. Информация о давлении преобразуется в ток. Ток при максимальном давлении, который равен 20 мА, и при минимальном давлении равен 4 мА. Выполним расчёт коэффициента передачи датчика. Максимальный напор:

.

Коэффициент передачи:

.

Задание напора будет приходить в виде тока, который имеет максимальную величину в 20 мА, а минимальную 4 мА, поэтому в канале задания появится коэффициент, который равняется обратному значению от коэффициента передачи:

.

Синтезирование контура регулирования

Проведем синтез контура регулирования давления при помощи метода последовательной коррекции. Выполним настройку контура на модульный оптимум.

В этом случае передаточная функция будет иметь вид:

Для того чтобы сделать синтез регулятора давления, можно использовать задание желаемой функции для разомкнутой системы , в этой функции компенсированы все постоянные времени, исключив их из разомкнутого контура. Аналогичным путем можно исключить из разомкнутого контура и все коэффициенты усиления, а для того, чтобы устранить статическую ошибку, ввести в контур интегрирующий элемент с очень малой постоянной времени.

Таким образом, исходный разомкнутый контур регулирования можно заменить контуром результирующим, который обладает общим коэффициентом усиления, и который равен , но который обладает астатизмом и который обеспечивает высокое быстродействие, вследствие малости величин постоянных времени.

То есть, желаемую передаточную функцию разомкнутой системы можно представить в виде:

В этом случае передаточная функция примет такой вид:

Очевидно, что эта передаточная функция и есть пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД - регулятор) с соответствующим коэффициентом усиления, который пропорционален , интегральной , а также и дифференциальной части регулятора.

Рассчитаем по формулам составляющие регулятора давления:

,

,

Подставив значения:

Для того, чтобы смоделировать систему управления насосной станции воспользуемся приложением SIМULINК, который входит в пакет программного обеспечения МАТLAВ.

Модель состоит из следующих основных элементов:

- из модели векторной системы управления;

- из модели асинхронного двигателя.

Пакет программ SIМULINК является частью программного комплекса, который предназначен для математического моделирования как линейных так и нелинейных систем и устройств. Они представлены функциональной схемой, которая именуется S-моделью. При этом возможны разные варианты для математического моделирования: в области времени, в области частоты, с событийным управлением, основываясь на спектральных преобразованиях Фурье, и используя метод Монте-Карло.

Структурная схема такого асинхронного двигателя показана на рисунке 21.



Рис. 21 - Структурная схема

Управляющее воздействие, это напряжение ток и потокосцепление являются векторными величинами;

Управляющее воздействие состоит из двух независимых компонентов: амплитуды и частоты, которые могут воздействовать на поток двигателя и на синхронную скорость;

Асинхронный двигатель представлен двухмерным, динамическим, нелинейным объектом управления;

Два инерционных звена соединены не линейной перекрестной связью, глубина которых зависит от в и критической скорости.

Оба звена в целом находятся в зависимости еще и по ЭДС, эта ЭДС наводится в обмотках статора при помощи полей ротора;

Момент является нелинейным звеном, потому что в нем скалярно умножаются вектора;

Присутствующие обратные связи заметно влияют на динамику привода и нуждаются в компенсации для того, чтобы реализовать систему управления.



Рисунок 22 - Схема АД в Matlab

Структурная схема двигателя для синтеза показана на рисунке 23. В данной схеме не было учтено влияние первой производной потокосцепления.

Рисунок 23- Структурная схема

В блоке фильтров осуществлена постоянная времени Т_µ эта постоянная времени введена специально чтобы уменьшить быстродействие системы, что также уменьшает токи и уменьшает моменты в переходном режиме. Фильтр представлен апериодическим звеном, где граничное значение постоянной времени определяется частотой, с которой происходит коммутация вентилей. Для преобразователя данная величина может колебаться от 2,5 килогерц до 16 , примем:

f_c =4 кГц,

Чтобы поведение системы было корректным, примем:

где Т_µ- не компенсированная постоянная времени (не компенсированная),

В приложении SIМULINК блок фильтров может выглядеть таким образом.

Рисунок 24 - Блок фильтров

Синтез регуляторов.

Расчет коэффициентов для регулятора приведен ранее.

Передаточная функция имеет такой вид:

- «ПИ» регулятор,

где Т_i- постоянная времени.



c

Замкнутая передаточная функция для контура тока:

В пакете MАТLАВ приложения SIМULINК, регулятор тока статора и окно выбора выглядит вот так.

Рисунок 25 - Регулятор тока

Система регулирования по потокосцеплению разомкнута, поскольку отсутствует информация о потокосцеплении ротора. В данном случае регулирование не производится, и поток будет оставаться неизменным в течении всей работы привода.

Регулятор потокосцепления у ротора будет иметь вид:



При этом система не рассчитывалась на управление потокосцеплением и чувствительна к изменению всех параметров магнитных цепей, зависящих от насыщения.

Тогда динамика такой разомкнутой системы обусловливается постоянной времени Т_r, которая много больше Т_µи при изменениях нагрузки, в результате нагрева сопротивление ротора сильно меняется Т_r.

Электромагнитный момент

Регулятор момента можно построить в виде обращенного электромагнитного момента, поскольку потокосцепление у ротора не изменяется то это потокосцепление присутствует в регуляторе таким коэффициентом:

В функцию регулятора входит определение скорости вращения векторного потокосцепления ротора, с целью ориентации поля согласно вектору потокосцепления:

Величина задания тока по координате Y:

;

Текущее скольжение:

;

Рисунок 26- Регулятор момента

Передаточная функция для разомкнутой системы:

Так как контур момента обладает высоким быстродействием, но на динамику влияние оказывает изменение потокосцепления.

Регулятор угловой скорости

Исходя из требований к электроприводу можно допустить падение скорости до 5 процентов, следовательно, можно в этом случае использовать «П» - регулятора, но требование к САР такие, что нам необходимо использовать этот регулятор.

При синтезе игнорируем статические моменты нагрузки.

Поэтому будем синтезировать регулятор скорости; на входе системы при синтезе, нужен входной фильтр с передаточной функцией:

У регулятора скорости передаточная функция имеет вид:

Постоянные времени можно определить как:

чтобы настроить модульный оптимум.

Рисунок 27 - Структура регулятора



Рисунок 28 - Структура входного фильтра

Передаточная функция для разомкнутой системы имеет настройку на симметричный оптимум:

;

Передаточная функция для замкнутой системы настроенная на управляющее воздействие имеет вид:

Передаточная функция для замкнутой системы, настроенная на возмущающее воздействие имеет вид:

Рисунок 29 - Переходный процесс тока статора is(t) и ротора ir(t) при изменении напряженияU(t)



Рисунок 30 - Переходные процессы по скорости двигателя щ(t) и момента М(t) при изменении напряжения U(t)

Показатели качества (основные) переходных процессов электропривода:

В момент времени произведен пуск электродвигателя на холостом ходу. В момент времени производится наброс нагрузки.

При этом время переходных процессов равно с

Перерегулирование:

.

Падение скорости при этом:

.

Время, при котором восстанавливается давление: с

6. Техника безопасности при обслуживании судовых электроприводов

Все лица электротехнического персонала, а также члены машинной команды, исполняющие обязанности по обслуживанию электрооборудования на судах, где электротехнический персонал штатным расписанием не предусмотрен, должны ежегодно проходить проверку знаний правил электробезопасности.

· Все члены судовой команды, непосредственно обслуживающие электрооборудование или производящие его ремонт, обязаны:

а) знать настоящий раздел Правил;

б) знать меры предупреждения несчастных случаев, которые могут произойти при обслуживании электрооборудования;

в) уметь практически оказать первую помощь пострадавшему в случаях поражения электрическим током;

г) уметь пользоваться средствами тушения пожара электрооборудования.

· Старший электромеханик (электромеханик) либо лицо, его заменяющее, обязан:

а) систематически контролировать правильность обслуживания судового электрооборудования, систем и приборов с соблюдением правил электробезопасности;

б) проводить техническую учебу с лицами неэлектротехнического персонала (палубной командой, работниками пищеблока и др.) по устройству обслуживаемого ими оборудования в объеме, достаточном для грамотного и безопасного его обслуживания;

в) контролировать соблюдение правил электробезопасности всеми членами экипажа и принимать меры по устранению нарушений. Если сам электромеханик не может принять меры по устранению нарушений, он обязан немедленно сообщить о нарушениях старшему механику, а в случае его отсутствия - капитану судна;

г) предусматривать дополнительные мероприятия, повышающие электробезопасность, с учетом особенностей электрооборудования судна.

В непосредственной близости от главного распределительного щита должны быть вывешены Правила первой помощи пострадавшим от электрического тока, Правила тушения пожара электрооборудования и принципиальная схема распределения электроэнергии на судне.

При всех осмотрах электрооборудования особое внимание следует обращать на наличие неисправностей, создающих опасность для жизни людей. Такие неисправности надлежит немедленно устранить или оградить опасные места, вывесив предупредительный плакат: "Стой! Опасно для жизни!".

Средства защиты, применяемые в судовых электротехнических установках, должны использоваться в соответствии с требованиями Правил применения и испытания средств защиты, применяемых в судовых электроустановках.

Все средства защиты перед их применением должны быть тщательно осмотрены, очищены и проверены на отсутствие внешних повреждений, соответствие их напряжению и пригодность к использованию по срокам периодических испытаний.

Ответственность за наличие, пригодность, правильное хранение и правильное использование средств защиты возлагается на старшего электромеханика (первого электромеханика), а при отсутствии на судне должности первого электромеханика - на старшего механика.

Электротехнический персонал должен контролировать исправность защитных заземлений при осмотрах и техническом обслуживании соответствующего электрооборудования, а у переносного электрооборудования - также перед выдачей его для использования.

Заземлению подлежат все металлические корпуса электрооборудования.

Защитное заземление не требуется для следующих видов электрооборудования:

стационарных электроприемников, питаемых напряжением до 42 В;

передвижных, переносных и ручных электроприемников, питаемых переменным током напряжением до 12 В и постоянным током напряжением до 24 В.

Электротехнический персонал должен следить, чтобы все переносное, передвижное и ручное электрооборудование, работающее при напряжении выше 24 В постоянного и 12 В переменного тока, а также стационарная осветительная арматура, которая не может быть заземлена непосредственно у места установки, имели заземление, осуществляемое через одну из свободных жил питающего кабеля, если корпус этих изделий выполнен не из изоляционного материала.

Исправность защитных заземлений переносного электрооборудования должна проверяться каждый раз перед выдачей его для работы.

Запрещается электротехническому персоналу устанавливать какие-либо предохранители или выключатели в разрыв цепи заземляющих проводов или шин.

Электротехнический персонал судна обязан постоянно следить за исправностью заземления оболочек кабелей, металлических частей электрооборудования и кожухов.

Электротехнический персонал судна обязан систематически проверять и постоянно поддерживать в пределах нормы сопротивление изоляции судовой сети, отдельных участков сети и электрооборудования.

Все электроизмерительные приборы судовой электроэнергетической системы должны быть проверены и опломбированы соответствующими контрольными организациями.

Все переносные и стационарные контрольно-измерительные приборы должны проходить проверку в установленные сроки:

а) щитовые и переносные электроизмерительные приборы постоянного и переменного тока - один раз в два года;

б) контрольные электроизмерительные приборы - один раз в год.

Помещениями с малым объемом называются помещения, в которых при выполнении работ имеется возможность непроизвольного касания переборок или подволока.

Запрещается оставлять неизолированными концы проводов после снятия электрических машин или электрической аппаратуры для ремонта.

Запрещается применять при осмотре, ремонте, сборке и разборке электрооборудования и аппаратуры инструмент с токопроводящими ручками или с поврежденной их изоляцией.

Запрещается установка предохранителей, выключателей и штепселей в пожароопасных и взрывоопасных помещениях и местах судна.

Примечание. Пожароопасным называется помещение, где находятся пожароопасные вещества, которые способны вызвать неконтролируемое горение.

Взрывоопасным называется помещение, где возможно образование взрывоопасной среды или хранятся взрывчатые вещества.

При ремонте механизма с электроприводом его электродвигатель должен быть обесточен и на пусковом устройстве должен быть вывешен предупредительный плакат "Не включать! Работают люди!".

Аварийные выключатели электроприводных палубных и промысловых механизмов должны содержаться в исправном состоянии.

Члены экипажа, обнаружившие неисправность в электрооборудовании, должны немедленно поставить об этом в известность электромеханика или вахтенного механика.

При проведении работ профилактических и по восстановлению сопротивления изоляции электрооборудования с применением моющих жидкостей, растворителей и лакокрасочных материалов необходимо пользоваться соответствующими инструкциями. При отсутствии инструкций по безопасному выполнению указанных работ производство их запрещается.

Помещения и палубы на судах по степени опасности поражения электрическим током определяются двумя следующими категориями:

помещения и палубы с повышенной опасностью;

особо опасные помещения и открытые палубы.

К помещениям и палубам с повышенной опасностью относятся: специальные электрические помещения, помещения аварийных дизель-генераторов, закрытые рулевые и штурманские помещения, помещения корабельных автоматических телефонных станций, кладовые: шкиперские, запчастей, мастерских, фонарные, малярные, а также тамбуры и коридоры, примыкающие к этим помещениям; медицинские, жилые, общественные и служебные помещения, а также относящиеся к ним коридоры, вестибюли, тамбуры и трапы.

К особо опасным помещениям и палубам относятся: помещения и пространства, в которых электрооборудование должно работать под водой; открытые палубы, заливаемые водой; рефрижераторные трюмы, склады и кладовые; машинные и котельные помещения; помещения холодильных машин; агрегатные помещения для палубных механизмов и подруливающих устройств; насосные отделения; аккумуляторные помещения; морозильные отделения; помещения рыбомучных установок; румпельное отделение; помещение установок электролова; шахты гидроакустической аппаратуры; бани, душевые, прачечные, посудомоечные, помещения заготовительные по обработке продуктов промысла; умывальные, туалетные, сушильные, камбузы и провизионные кладовые.

Заключение

электропривод судно насосная установка

В дипломном проекте разработана система насосной установки станции судна. Система разработана на базе регулированного асинхронного электропривода с частотным управлением.

Исходя из заданных величин давления и затраты воды, была рассчитана мощность электродвигателя насоса и выбраны двигатель типа 5АМ280S4 У3 и частотный преобразователь типа 3G3HV-B11K японской фирмы OMRON.

Синтезированная одноконтурная система управления с ПИД регулятором давления.

Методом цифрового моделирования в программном пакете Matlab проведено исследования динамических режимов САУ.

Техническая реализация разработанной системы управления выполнена на базе частотного преобразователя 3G3HV-B11K.

Результаты моделирования показали, что разработанная система обеспечивает заданные характеристики стабилизации давления воды при изменении затрат воды.

Изложенное выше разрешает сделать вывод, что задание на дипломный проект выполнено. Спроектированный электропривод удовлетворяет требованиям электроприводов насосных установок по качеству переходных процессов и быстродействию.

Литература

1. Соловьев,Н.Н.Судовыеэлектроэнергетическиесистемы:учеб./Н.Н.Соловьев,В.И.Самулеев.-М.:Транспорт,1991.-248с.

2. Справочниксудовогоэлектротехника.В3-хт.Т.1.Судовыеэлектроэнергетическиесистемыиустройства/подред.Г.И.Китаенко.Т.1.Судовыеэлектроэнергетическиесистемыиустройства.-Л.:Судостроение,1975.-520с.

3. Чекунов,К.А.Судовыеэлектроприводыиэлектродвижениесудов:учеб./К.А.Чекунов.-М.:Транспорт,1986.-352с.

4. Алексеев Н.А., Макаров С.В., Портнягин Н.Н.. Микропроцессорные системы управления электроэнергетическими установками промысловых судов. - М.: Колос, 2006. - 422 с.

5. Баранов А.П. Судовые автоматизированные электроэнергетические системы. - М.:Транспорт, 1996. - 328 с.

6. Богословский А.П., Певзнер Е.М. Фрейдзон И.Р., Яуре А.Г. Судовые электроприводы. Справочник т. 1,2. - Л.: Судостроение, 1983. - 389 с.

7. Демидов В.В., Петраков В.Г., Абрахманов М.А. Управление борьбой с пожарами на судне. - Одесса: ЦПАП, 1997.

8. Ланчуковский В.И., Козьминых А.В. Автоматизированные системы управления судовыми дизельными и газотурбинными установками. - М.: Транспорт, 1990 - 336 с.

9. Лейкин В.С. Судовые электрические станции и сети. - М.: Транспорт, 2002. - 256 с.

10. Международная конвенция подготовке и дипломировании моряков и несении вахты 1978, с поправками (ПДНВ-78). - СПб.: ЗАО «ЦНИИМФ», 2016.

11. Правила технической эксплуатации электрооборудования. - СПб.: Транспорт, 2000. - 203 с.

12. Правила классификации и постройки морских судов. Регистр РФ. - СПб.: Транспорт, 2000. - 203 с.

13. Правила технической эксплуатации судовых технических средств. - М.: В/О Мортехинформ реклама, 1984. - 385с.

14. Пипченко А.Н., Демидов В.В., Пономаренко В.В., Сырых М.А., Путиенко А.Г. и др. Выживание и безопасность на море. - Одесса: ЦПАП, 1997. - 84 с.

15. Пипченко А.Н., Пономаренко В.В., Романенко А.В. Эксплуатация систем дистанционного управления двигательными установками, системами и службами машинного отделения. Учебное пособие в вопросах и ответах. - Одесса: ЦПАП, 1997. -34 с.

16. Сергиенко П.И., Миронов В.В. Электроэнергетические системы морских судов: Учебник для Мореходных училищ. - М.: Транспорт, 1991. - 264 с.

17. Техническая эксплуатация судового электрооборудования: учебно-справочное пособие/ под ред. Кузнецова С.Е. - М.: Проспект, 2010. - 512 с.

18. Устав службы на судах рыбопромыслового флота Российской Федерации / Под ред. В.Ф. Корельского. - М.: изд-во ВНИРО, 1996. - 136 с.

Размещено на Allbest.ru