Рис. 2.3. Функциональная схема системы управления пульповодом

2.2. Расчет гидротранспортной установки и выбор землесоса

Важнейшими исходными параметрами при paсчете системы гидротрантранпорта, оnpеделяющими как ее энергетические показатели, так и конструктивно-технологическое оформление являются длина и профиль трассы трубопровода.

Длина трубопровода может быть от нескольких до десятков километров, чем в итоге опредляются затраты энергии на перeмещение расчетного грузопотока твердого материала. При наличии чередующихся спусков и подъемов трубопровода по его длине всю трассу целесобразно рассматривать как состоящую из отдельных элементов, характеризующися двумя параметрами - длина элемента и уклоном, который может быть положительным или отрицательным по отношению к напраилению транспортирования [5].

Определим основные параметры гидротранспортной установки по следующим данным. Расстояние транспортирования 15000 м, геодезический перепад высот трассы z = +25 м, геодезический высота всесывания z = 5 м. Объемная производительность установки по пульпе, Vп=8000 м3/ч, плотность твердого материала 3,0 т/м3, плотность пульпы 1,6 т/м3, концентрация гидросмеси, s = 0,6, диаметр трубы 1200 мм, средневзвешенный диаметр частиц твердого, dср = 0,12 мм

Гидравлическая крупность:

(2.1)

Критическая скорость движения пульпы: (2.2)

Критический диаметр трубопровода: (2.3)

Таким образом, принятый диаметр трубопровода больше критического, а это значит что пересчет не требуется.

Число Рейнольдса: (2.4)

v = 1*10-6 м2/с - кинематическая вязкость

Коэффициент гидравлических сопротивлений для чистой воды: (2.5)

Удельные потери напора при движении чистой воды: (2.6)



Удельные потери при движении пульпы: (2.7)

Необходимый напор гидротранспортной установки: (2.8)

Мощность электропривода: (2.9)

В практике гидравлического транспорта на предприятиях горной промышленности используются насосы различного принципа действия (динамические и объемные) Наиболее широко применимы насосы центробежного типа ГРТ, ГРК, ГРУ, характеризующиеся невысокими развиваемыми давлениями при высоких расходах перекачиваемых гидросмесей. Поэтому исходя из расхода, требуемого напора и мощности, принимаем 4 грунтовых насоса типа ГрТ 8000/71, еще 4 насоса этого же типа находятся в резерве, а еще 4 в ремонте. То есть потребуется две насосных станции. Это связано с тем, что в процессе работы происходит быстрый износ землесоса, поэтому применяется двукратное резервирование.

2.3 Грунтовые насосы типа ГрТ 8000/71

Область применения: горно-обогатительные и горно-металлургические предприятия, теплоэлектростанции, предприятия по производству цемента, алмазо- и золотодобывающие предприятия, технологические предприятия, технологические линии дробления, обогащения полезных ископаемых и т.п.

Рис.2.4. Внешний вид насоса ГрТ 8000/71

Центробежные грунтовые насосы (рис.2.4) конструктивно выполнены в виде консольного одноступенчатого насоса, горизонтально расположенного на отдельной стойке, с приводом от электродвигателя через упругую муфту. Рабочее колесо закрытого типа.

Предназначены для перекачивания гравийных, песчано-гравийных, шлаковых, золошлаковых и других абразивных гидросмесей с водородным показателем pH 6-8, плотностью до 1600 кг/м3, с температурой до 70° С.

Насосы имеют ряд конструктивных исполнений, обеспечивающих повышенный ресурс работы при названных условиях эксплуатации:

§ установка внутреннего корпуса (исполнение Т);

§ увеличение размеров (25% от номинального) проходного сечения (исполнение Т);

§ применение износостойкого сплава ИЧХ28М2 (исполнение А);

§ футеровка абразивным материалом на органической связке - корундирование (исполнение К).

Рабочее колесо (2) (рис.2.5.) выполнено с большим количеством мощных отбойных лопаток на обоих дисках. Отбойные лопатки расположены таким образом, что защищают области наиболее интенсивного износа дисков, так как они работают аналогично колесу вихревого насоса. Кроме того, они предотвращают попадание абразивных частиц в пазухи между колесом и корпусом, обеспечивая постоянный минимальный перепад давления в переднем уплотнении насоса.

Для эффективной работы отбойных лопаток предусмотрена возможность регулирования зазора между торцовой поверхностью отбойных лопаток и передним бронедиском (3) (без разборки насоса) с помощью специальной регулировочной шпильки, размещенной на опорной стойке (10).

В пространство между колесом и корпусом (1) подводится промывающая вода, выносящая частицы из пазухи между колесом и корпусом.

горный алмазодобывающий землесос преобразователь

Рис. 2.5. Основные узлы насоса ГрТ 8000/71: 1 - внутренний корпус, 2 - рабочее колесо, 3 - защитный диск, 4 - передняя половина корпуса, 5 - задняя половина корпуса, 6 - гайка рабочего колеса, 7 - сальник, 8 - вал, 9 - упругая муфта, 10- опорная стойка.

Уплотнение вала в месте выхода его из корпуса насоса - мягкий сальник (7). Для охлаждения и предохранения от износа в сальниковое уплотнение через кольцо сальника подаётся техническая вода под давлением, превышающим давление в зоне уплотнения на 0,5 - 1 кгс/см2.

3. Электропривода насосного агрегата

3.1 Техническое задание на электропривод грунтового насоса

Техническое задание на комплектный регулируемый элекропривод грунтового насоса ГрТ 8000/71, находящегося на горно-обогатительной фабрик, для перекачивания гравийных, песчано-гравийных, и других абразивных гидросмесей с водородным показателем pH 6-8, плотностью до 1600 кг/м3, с температурой до 70° С. «ГРО Катока-Ангола».

Назначение: Электропривод предназначен для регулирования производительности насосной станции путем изменения частоты вращения приводного электродвигателя.

Технические характеристики.

Напряжение питания, кВ.........................................................……….6

Привод регулируемый, нереверсивный

Требования к качеству электрической энергии……………Кнл ? 5%

Диапазон регулирования……………………...……..……………..1:3

Статические характеристики:

Установившаяся скорость, рад/с………………………………..38,22

Преобразователь частоты:

Электропривод насосной станции снабжается преобразователем частоты фирмы «Rockwell Automation» типа PowerFlex 7000 со встроенной защитой от перегрузки, перенапряжения и низкого значения напряжения, перегрева, кратковременного отказа в цепи питания, от замыкания на землю со стороны выхода.

Напряжение на выходе преобразователя частоты, В….…..0 - 6000

Максимальная мощность подключаемого электропривода,.кВт….3200

Частота питающей сети, Гц……………………..……….…………50

Требования к САР и автоматизации:

Статическая точность, %…..……….…………...…….…………… 5

Динамическая точность, %...…………..……...…….……………± 10

Посты управления:

Местное со щита управления, непосредственно на самой установке.

Дистанционное - из операторской.

Виды защит:

Максимальная токовая (1,5Iном)

Минимальная (± 5%)Uном

Тепловая

Защита при обрывах фазы первичной питающей сети

Защита по току электродвигателя (1,5 А) при повторной перегрузке в течение 30 сек. и двукратной перегрузке в течение 6 сек. с запретом повторного включения;

защита при отклонении напряжения первичной питающей сети выше 25 % и ниже 25 % от номинального значения;

защита при коротком замыкании обмоток электродвигателя или жил подводящего силового кабеля ( Iуст =[5-7]*Iном)

Защита при турбинном вращении насоса;

Защита подшипников двигателя и насоса от перегрева свыше 70єС

Защита от снижения давления масла в подшипниках двигателя и насоса

Сигнализация:

Индикация пуска и останова электродвигателя

Обобщенная индикация срабатывания защит

Сигнализация технологических защит:

Давление в подшипниках ниже нормы

«Температура подшипников свыше 70єС»

«Температура охлаждающей воды свыше нормы»

«Уровень в зумпфе ниже критического»

«Питающая задвижка открыта»

«Питающая задвижка закрыта»

Вид и род сигналов (0-4) В, (10-20) мА “Сухой контакт”

Условия эксплуатации:

Диапазон температур................……………………...... .(-40 - +40)°С

Относительная влажность.............…………………... .80% при 20°С

Климатическое исполнение оборудования ……….……………....Т1

Коэффициент запыленности для двигателя, мг/м3…………………3

Степень защиты от внешних воздействий двигателей ……..….IP54

Степень защиты для шкафов управления ………..…….……….IP22

Механические перегрузки: устанавливается при внешних источниках, создающих вибрацию не выше 35 Гц и максимальном ускорении 5 м/с2. Ударные нагрузки отсутствуют.

Требования по надежности

Коэффициент готовности ..........................................................….0,92

Время среднее восстоновления, ч..................................................….1

Гарантийный срок эксплуатации, ч.........................................…20000

Среднее время между кап. ремонтами, лет..............................…………..5

Гарантии изготовителя:

Гарантийный срок службы.........................................................2 года.

Назначенный срок службы.........................................................20 лет.

Минимальное время между кап. ремонтами...............................5 лет.

3.2 Описание штатного электропривода

Штатный электропривод является нерегулируемым. При нажатии кнопки пуска с поста управления включается электродвигатель мощностью 3150 кВт, который в свою очередь приводит в действие исполнительный механизм - насос типа ГрТ 8000/71.

Электропривод снабжен автоматическим выключателем 4000 А и контактором на 3200 А. Штатный электропривод не имеет устройства плавного пуска и регулирующего устройства. Вследствие этого оборудование не защищено от пусковых

токов и не имеет возможности контроля объемов перекачиваемой технологической жидкости.

Для эксплуатации принят насос типа ГрТ 8000/71. конструктивно выполнены в виде консольного одноступенчатого насоса, горизонтально расположенного на отдельной стойке, с приводом от электродвигателя через упругую муфту. Рабочее колесо закрытого типа.

Основные характеристики насоса представлены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Технические параметры насоса ГрТ 8000/71

Подача насоса, м3/ч	Напор насоса, м	Скорость вращения, об/мин	Потребляемая мощность,кВт	Номинальный КПД %	Диаметр(направляющего)нагнетательного патрубка, мм	Диаметр всасывающего патрубка,мм	Рамер проходного сечения,мм
8000	71	375	3150	74	680	700	310

3.3 Выбор электродвигателя

Выбор типа двигателя сделан на основе технико-экономического сравнения различных двигателей переменного тока. Должны быть сопоставлены их электрические и механические свойства, первоначальная стоимость самих двигателей и аппаратуры управления, эксплуатационные расходы.

При выборе нерегулируемого типа двигателя можно ограничиться сравнением трёх типов двигателей переменного тока: 1) асинхронного с короткозамкнутым ротором, 2) асинхронного с фазным ротором и 3) синхронного.

Приведённые выше соображения показывают значительные технико-экономические преимущества двигателей с короткозамкнутым ротором. При лёгких условиях пуска, то есть при малом значении статического момента при трогании и малом моменте инерции, может быть использован простейший короткозамкнутый двигатель.

Поэтому, для привода насоса применяют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, выполненные в защищённом, закрытом или рудничном исполнении.

Необходимая мощность двигателя N (кВт) для привода насоса определяется по формуле:

(3.1)

где: k- коэффициент запаса мощности двигателя, k=1,1;

Q- фактическая подача насоса, м3/ч;

H- фактический развиваемый напор с учётом высоты всасывания, м;

р- КПД установки;

- плотность откачиваемой воды, кг/м3.

кВт,

Выбираем асинхронный двигатель АО2-21-49-16Т1.

Требуемая мощность двигатель 3150 кВт, скорость вращения рабочего органа составляет 375 об/мин. Следовательно, выбранный электродвигатель удовлетворяет характеристикам насоса.

Характеристики двигателя АО2-21-49-16Т1 приведены в табл.3.2.

Таблица 3.2

Технические параметры двигателя АО2-21-49-16Т1

Номинальная мощность	Номинальное напряжение	Номинальный ток статора	Синхронная частота вращения	Номинальный коэффициент мощности	Номинальный КПД	Номинальное скольжение	Кратность максимального момента	Кратность пускового момента	Кратность пускового тока
Рном, кВт	Uном, В	I Л ном, А	nо, об/мин.	сos цном	зном, %	S	=?
3150	6000	374	375	0,85	95,3	0,026	2,0	1,2	5,0

Расчет параметров двигателя

В номинальном режиме:

R1' = 0,10; X1' = 0,012; R''2=0,0037; X''2=0,0011, Хµ=19,6

- пр к.з. R2П=0,027; RК.П.=0,039; XК.П.= 0,16.

Максимальной допустимый маховый момент, кг . м2 = 105000

Номинальный ток двигателя:

IН= A. (3.2)

Рис.3.1. Г-образная схема замещения АД для номинального режима.

Параметры Г - образной схемы замещения АД для номинального режима в относительных единицах:

X1 = Ом, (3.3)

R 1= Ом (3.4)

Коэффициент перевода относительных единиц в физические:

C = = = 9,26 (3.5)

Взаимная индуктивность статора и ротора, приведенная к статору, и индуктивность фазы обмотки статора:

Lm=Гн; (3.6)

Ls = Гн. (3.7)

Активное сопротивление и индуктивное сопротивление рассеяние фазы обмотки статора:

Rs = r1 = R1 C = 2,39 • 9,26 = 22,13 Ом; (3.8)

х1 = Х1 С = 0,286 . 9,26 = 2,648 Ом (3.9)

Поправочный коэффициент для параметров Г-образной схемы замещения:

уг = = (3.10)

Активное сопротивление и индуктивное сопротивление рассеяния ротора, приведенное к статору:

Rr = Ом. (3.11)

Ом (3.12)

Индуктивность фазы обмотки ротора, приведенная к статору:

Lr = Гн. (3.13)

Через первичные параметры определяется переходная индуктивность асинхронной машины.

Переходная индуктивность статора и ротора:

L's = Ls - Гн. (3.14)

L'r = Lr - Гн. (3.15)

Постоянная времени обмотки ротора и статора:

T'r = С. (3.16)

Ts = С. (3.17)

Коэффициент магнитной связи статора и ротора:

Ks=. (3.18)

Kr= (3.19)

Расчет механической характеристики двигателя

Номинальное и критическое скольжение (таб.3.2):

Синхронная частота вращения ротора:

щc= рад*с (3.20)

Кратность пускового и критического моментов (таб.3.2):

Номинальный момент двигателя:

Мн=9570 Нм. (3.21)

Пусковой момент двигателя по справочным данным:

Mп=1.2•Мн=1,2 • 82530 = 99036 Нм. (3.22)

Критический момент:

Мк=2,0 • Мн = 2,0 . 82530= 165060 Нм. (3.23)

3.4 Алгоритм работы системы управления

Пуск насоса осуществляется следующим образом:

а) открыть питающую задвижку, загорается сигнал «Питающая задвижка открыта» (HL 11) на щите оператора;

б) открыть вентили маслосмазки и гидроуплотнения;

в) при нормальном давлении в системе маслосмазки загорается сигнал «Готовность» (HL 2) на ЩО;

г) нажать кнопку «Пуск» (SB 2) на ЩО, загорается сигнал «Работа» (HL 3);

д) открыть напорную задвижку

Плановое отключение насоса осуществляется нажатием кнопки «Стоп» (SB 3) на ЩО.

Аварийное отключение с места осуществляется нажатием кнопки «Стоп» (SB 1), а со ЩО - кнопкой «Стоп» (SB 3).

Автоматическое отключение происходит при срабатывании защит в камере КРУ, защит преобразователя частоты, аварийном перегреве подшипников (свыше 70єС), снижении давления в системе маслосмазки подшипников, отсутствии напряжения в цепях управления, отсутствии пульпы в зумпфе.

Однако монитор АСУ ТП фабрики предоставляет возможность наблюдения и управления текущим состоянием технологического процесса фабрики. Весь технологический процесс отображен на восьми мнемосхемах, которые регистрируют состояние отдельных переделов фабрики: «Рудоподготовка», «РЛС», «Отсадка», «Доводка», «ГТС», «Общефабричные параметры».

Для выполнения управляющих воздействий над технологическим оборудованием, монитор АСУ ТП отображается текущий режим объекта, один из трех: «Местный», «Дистанционный», «Автоматический».

Аварийный останов оборудования работает всегда, когда оборудование находится либо в дистанционном, либо в автоматическом режимах.

Управляющие воздействия на объект возможны только в режиме «Дистанционный». В этом режиме становятся доступны команды «Пуск»/«Стоп» и если необходимо окошко ввода заданного положения шибера.

Силовая схема электропривода (рис. 3.2), и схема цепей управления, сигнализации и блокировок (рис.3.3.)

Таблица 3.3.

Таблица электрооборудования

Обозначение	Наименование	Кол.	Примеч.
M	Электродвигатель АО2-21-49-16У1	1	Р=3150кВт, 6 кВ
QS	Разъединитель РВЛ 6/400
В	Вакуумный выключатель ВМП-10	1
ТА1, ТА2	Трансформатор тока ТЛМ-6	2
KА1 - КА4	Реле токовое РТ-40/20	2
KK1, КК2	Реле тепловое	2
KL1-KL3	Реле промежуточное ПМЛ 110004	3
YA1	Электромагнит включения	1
YA2	Электромагнит отключения
SB1, SB3	Кнопка управления КУФ	2
SB2	Кнопка управления КУ	1
НL1	Светодиод	1	зеленый
НL2-HL11	Светодиод	10	красный
R	Сопротивление ПЭВ-5	1
FU	Предохранитель ПКЭ	1



Рис. 3.2. Силовая схема электропривода. Рис.3.3. Схема цепей управления, сигнализации и блокировок

3.5 Выбор закона управления

Потери энергии в технологическом процессе зависят от технологической нагрузки, определяемой потребителем, и потерь напора на оборудовании насосной станции которые определяются гидравлическим сопротивлением элементов схемы. Для организации технологического процесса с минимальными энергетическими потерями необходимо, в первую очередь, снизить потери напора между трубопроводом насосного агрегата и сетью потребителей. Кроме того, в процессе функционирования в зависимости от режимов работы системы может меняться давление перед насосом, создаваемое источником водоснабжения.

Такой характер взаимосвязи параметров требует установки в системе дроссельных регулирующих элементов - регулирующих клапанов (иногда их роль выполняют напорные задвижки агрегатов). Эти элементы создают дополнительное гидравлическое сопротивление и позволяют обеспечить стабильное давление в сетевом трубопроводе. При использовании дроссельных элементов происходит распределение напора на элементах системы.

На величину потерь при дроссельном регулировании влияет не только регулирующий элемент: чаще всего на этапе проектирования выбирается насосный агрегат с определённым запасом напора, а при замене насосных агрегатов новое оборудование может иметь несколько завышенные характеристики. Кроме того, диапазон изменения входных давлений (перед всасывающим патрубком насосного агрегата) оказывает влияние на величину давления за насосным агрегатом. Все эти обстоятельства приводят к тому, что потери энергии в ходе технологического процесса становятся достаточно большими, достигающими 45 и более процентов от номинальной мощности агрегата.

Для решения задачи минимизации потерь, связанных с регулированием давления в сети, необходимо исключить дополнительные гидравлические сопротивления на участке от насосного агрегата до сетевого трубопровода, то есть необходимо полностью открыть всю запорно-регулируюшую арматуру. Это можно сделать, если процесс регулирования давления передать насосному агрегату. Теория работы нагнетателей (насосов и вентиляторов) доказывает, что изменение частоты вращения привода нагнететеля изменяет его напорные характеристики, кроме того, напор создаваемый нагнетателем, пропорционален квадрату частоты вращения агрегата.

Если организовать работу привода насосного агрегата таким образом, чтобы он при изменении параметров технологического процесса (расхода в сети и давления на входе агрегата) изменял частоту вращения, то в итоге можно без существенных потерь энергии стабилизировать давление в сети потребителей. При таком способе регулирования исключаются потери напора (нет дроссельных элементов), а значит, и потери гидравлической энергии.

Способ регулирования давления в сети путём изменения частоты вращения привода насосного агрегата снижает энергопотребление ещё и по другой причине. Собственно насос как устройство преобразования энергии имеет свой коэффициент полезного действия - отношение механической энергии, приложенной к валу, к гидравлической энергии, получаемой в напорном трубопроводе насосного агрегата.

В соответствии с теорией подобия максимум коэффициента полезного действия с уменьшением частоты вращения несколько снижается и смещается влево. Анализ требуемого изменения частоты насосного агрегата при изменении расхода в сети показывает, что с уменьшением расхода требуется снижение частоты вращения. В этом случае КПД насоса выше, чем при работе на номинальной частоте вращения. Таким образом, снижение частоты вращения в соответствии с технологической нагрузкой позволяет не только экономить потребляемую энергию на исключении гидравлических потерь, но и получить экономический эффект за счёт повышения коэффициента полезного действия самого насоса - преобразования механической энергии в гидравлическую.

Применение частотного регулирования приводов позволяет существенно уменьшить и эксплуатационные затраты, связанные с обслуживанием агрегатов и систем. Например, снижение перепада давления между всасывающим и напорным патрубками насосного агрегата увеличивает срок службы сальниковых уплотнений, практически исключая гидроудары и обеспечивает стабильность давлений в трубопроводах сетей, а также минимизирует затраты на обслуживание.

Технология управления асинхронными двигателями, обеспечивающая энергосбережение, обусловлена их конструктивными особенностями и техническими параметрами, а также характеристиками нагрузки.

Использование частотно-регулируемого электропривода в насосных станциях по перекачке жидкости имеет ряд отличительных особенностей, связанных с массовым использованием центробежных конструкций насосов, которые отличаются тем, что для них расход пропорционален частоте оборотов крыльчатки, давление пропорционально квадрату числа оборотов, а потребляемая мощность - кубической степени. В соответствии с формулами приведения центробежных насосов эти параметры эмпирически можно выразить следующим образом:

Q/Q0 = n/n0, H/H0 = (n/n0)2, N/N0 = (n/n0)3, (3.24)

Характеристики пропорциональности:

(3.25)

Где, Q - расход, Н- напор, R- сопротивление сети, n(щ) - частота вращения,

N- мощность потребляемая электродвигателем.

Поскольку подача питательного насоса пропорциональна частоте вращения двигателя, а напор, развиваемый насосом пропорционален квадрату частоты вращения двигателя, для обеспечения требуемой точности поддержания давления в системе частоту вращения двигателя необходимо поддерживать с точностью не хуже 0,65% зад. Это возможно только при использовании в составе преобразователя частоты двухконтурной системы регулирования.

Исходя из этого выбираем электропривод с системой скалярного управления асинхронных короткозамкнутый двигателей.

Функциональная схема системы управления питательным насосом имеет вид:

Рис.3.4. Функциональная схема системы управления электроприводом питательного насоса

3.6 Система управления насосом с преобразователем частоты

К категории механизмов, у которых момент зависит от скорости и имеет квадратичную зависимость в первую очередь, относятся центробежные насосы.

Благодаря квадратичной характеристике U/f и возможности её динамического выбора преобразователь позволяет управлять насосами с наибольшей эффективностью, приближаясь к их естественной характеристике и тем самым сокращая потери энергии. Необходимо также более подробно отметить уже упоминавшуюся ранее функцию динамического выбора характеристики U/f. При снижении нагрузки на валу двигателя и, соответственно, уменьшении тока статора, преобразователь снижает напряжение на статоре двигателя, сохраняя частоту неизменной. Благодаря снижению напряжения уменьшаются потери энергии в статоре двигателя, а значит и общие потери энергии в приводной системе становятся ниже. При возрастании нагрузки на валу двигателя процесс протекает в обратной последовательности и ПЧ возвращается на номинальную характеристику.

Наличие программируемого ПИД-регулятора позволяет организовать автоматический контроль за аналоговым сигналом приходящим с датчика обратной связи (например давления, температуры, уровня). Программируемые релейные выходы позволяют организовать работу насосной станции в веерном режиме (что позволяет уменьшить мощность насосов за счет увеличения их количества), постоянно контролируя количество включенных насосов, что позволяет существенно уменьшить расход электроэнергии и увеличить ресурс насосов. Необходимо отметить также наличие пропускаемых частот, настраиваемых пользователем и позволяющих избежать резонанса в механизме и двигателе. Из функций, полезных при управлении насосами, следует также отметить возможность "подхвата" вращающегося двигателя и возможность автоматического перезапуска при исчезновении питания или рестарта при аварийном отключении. Преобразователь может перезапускаться до 10 раз с задержкой перед включением от 5 до 25 секунд, что достаточно для подавляющего большинства насосов.

Преобразователи могут комплектоваться дополнительным внешним фильтром радиочастот, применение которого позволяет ПЧ с запасом отвечать самым жёстким требованиям по электромагнитной совместимости (ЭМС). Совокупность качеств преобразователя частоты делает его отличным выбором для управления центробежными насосами, а наличие разнообразных модулей расширения позволяет создавать на его базе локальные системы управления и/или интегрировать ПЧ в уже существующие системы управления.

Современные преобразователи частоты позволяют создавать системы управления (СУ) без дополнительных аппаратных средств, так как имеют программное функция обеспечение для встроенного в привод микроконтроллера. Сегодня нельзя найти отрасль, где не применялись бы частотно-регулируемые электроприводы с приводными асинхронными двигателями. Большинство производственных машин и механизмов общепромышленного применения (насосы, вентиляторы, конвейеры, компрессоры и т.п.) требуют относительно небольшого диапазона и невысокой точности регулирования скорости (до 1:20), относительно низкого быстродействия. В этом случае используют электроприводы с системой скалярного управления асинхронных двигателей, т.е. с взаимосвязанным регулированием частоты и значения питающего напряжения ( U/f ), ( рис.3.5).

Рис.3.5. Структурная схема электропривода со скалярным управлерием с датчиком скорости

Регулятор тока

В системах автоматического управления электроприводами широко используются различного рода регуляторы тока, напряжения, скорости.

Рассмотрим ПИ-регулятор тока и запишем его передаточную функцию. Если в цепь обратной связи операционного усилителя включены последовательно резистор

Rо.с. и конденсатор Со.с., во входную цепь-резистор R1, тогда Zo.c.=(Ro.c.+1)/Co.c.p , а Z1=R1 и передаточная функция усилителя имеет вид:

, где Т1=Rо.с.С , Т2=R1С, (3.26)

Для большенства технологических процессов при использовании стандартного ПИ-регулятора заранее можно считать, что АСР будет устойчива. Пропорциональная составляющая мгновенно “ отрабатывает “ основную “ часть “ входного сигнала, тогда как затем интегральная составляющая постоянно “ приводит “ выходной сигнал к заданному значению.

На рис.3.6. представлена принципиальная схема ПИ-регулятора, выполненная на операционном усилителе.

Рис.3.6. Схема регулятора тока.

Регулятор скорости

Если в цепь обратной связи включить резистор Ro.c., а во входную цепь-резистор R1, тогда Zo.c.=Ro.c., а Z1=R1 и передаточная функция усилителя будет иметь вид:

. (3.27)

В этом случае операционный усилитель выполняет масштабное преобразование входного напряжения с коэффициентом k и называется пропорциональным ( П ). П-регулятор безинерционен. Коэффициент усиления регулятора k является параметром его настройки и численно равен перемещению регулирующего органа, которое осуществляет регулятор при отклонении регулируемой величины на единицу ее изменения.

На рис.3.7. представлена принципиальная схема П-регулятора, выполненная на операционном усилителе.

Рис.3.7. Схема регулятора скорости.

Питание на электродвигатель подается от трехфазной сети линейным напряжением 380 В (частота 50 Гц). Силовая цепь содержит автоматический выключатель Mitsubishi, 3P, 400 А (QF1), частотный преобразователь типа PowerFlex 7000.

Все функции регулирования и защиты осуществляет частотный преобразователь и работает в автоматическом режиме. Имеется возможность ручного управления пуском, остановом и регулированием частоты.

Преобразователь частоты - это электронное устройство 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. Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей:

§ звена постоянного тока;

§ силового трехфазного импульсного инвертора;

§ системы управления.

Применение частотно регулируемого электропривода позволяет достичь преимуществ по сравнению с традиционными методами регулирования: уменьшение энергопотребления до 35-50%; устранение пусковых токов и перегрузок двигателя на период пуска; отсутствие дополнительных потерь при регулировании; уменьшение механического износа и увеличение срока службы оборудования и снижение затрат на его обслуживание и ремонт. ПЧ строится с использованием транзисторов с изолированным затвором (IGBT), (Рис. 3.8.).

Рис.3.8. Схема преобразователя частоты.

В ПЧ входное напряжение 220/380 В, с частотой 50 Гц преобразуется в выходное импульсное напряжение посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которая формирует в обмотках двигателя синусоидальный ток частотой от 0 до 400 Гц. Увеличением частоты и амплитуды напряжения, подаваемого на обмотки асинхронного двигателя, обеспечивается плавное регулирование скорости вращения вала электродвигателя. Для обеспечения высокой жесткости механической характеристики двигателя и достаточной перегрузочной способности необходимо одновременно с частотой тока регулировать напряжение с тем, чтобы магнитный поток оставался постоянным. Отсутствие необходимости в электрическом торможении и реверсе привода упрощает структуру ПЧ и позволяет выполнить его на базе автономного инвертора напряжения. При изменении частоты вращения вала двигателя новая рабочая точка располагается в зоне устойчивой работы насоса и при этом КПД не превышает 0,9 максимального его значения. При изменении частоты напряжение изменяется так, чтобы отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на его валу было постоянным. При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициенты мощности и КПД двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются. Энергия, потребляемая электроприводом, пропорциональна частоте вращения в третьей степени, отсюда следует, что если в процессе управления производительность при питании приводного двигателя от ПЧ снижена частота напряжения от 50 до 40 Гц, то потребление энергии уменьшается почти в 2 раза.

3.7 Моделирование скалярной системы частотного управления АД

При реализации скалярной системы частотного управления преобразователь частоты реализует следующий закон управления:

(3.28)

Для анализа стационарных режимов работы питательного насоса в составе комплекса может быть использовано упрощенное представление асинхронного приводного двигателя питательного насоса в виде:

, (3.29)

где ; рп - число пар полюсов двигателя; - эквивалентная постоянная времени двигателя; J - суммарный момент инерции ротора двигателя и механизма; Мк и Sк - критический момент и критическое скольжение двигателя соответственно; о - выходная частота преобразователя частоты; r - частота вращения ротора двигателя.

Идеальный преобразователь частоты при этом может быть представлен в виде, показанном на рис.3.9. Закон управления в модели может быть реализован с помощью двух дополнительных блоков умножения.

Рис.3.9. Структурная схема идеального преобразователя частоты.

На выходе этих звеньев включаются два усилительных звена с переменным коэффициентом усиления, пропорциональным амплитудному значению выходного напряжения преобразователя частоты Um. Задающее воздействие преобразователя частоты может быть представлено задатчиком интенсивности, предназначен для задания сигнала по скорости с заданной интенсивностью нарастания разгона и торможения.

Преобразователь частоты с системой широтно-импульсной модуляции выходного напряжения может быть представлен нелинейной моделью, в которой идеальный преобразователь частоты реализует входное управляющее воздействие.

Модель преобразователя частоты с ШИМ включает в себя следующие основные элементы системы:

§ генератор пилообразных импульсов несущей частоты;

§ формирователь фазных опорных сигналов;

§ блок выходного каскада реального преобразователя частоты с

§ ШИМ - модуляцией кривой выходного напряжения.

На рис.3.10 приведена структурная схема генератора пилообразных импульсов несущей частоты.

Рис.3.10. Генератор пилообразных импульсов несущей частоты с входным косинусоидальным сигналом (а) и с входным синусоидальным сигналом (б).

На рис.3.11. приведена структурная схема формирователя опорных напряжений.



Рис.3.11. Структурная схема формирователя фазных опорных сигналов.

Функции sin щопt и cos щопt получаются на выходе модели идеального преобразователя частоты (рис.3.11) с единичной максимальной выходной амплитудой. Символом (*) обозначены единичные сигналы на выходе формирователя. На рис.3.12 приведена структурная схема выходного каскада преобразователя частоты с ШИМ-модуляцией выходного напряжения.

Рис.3.12. Структурная схема выходного каскада преобразователя частоты с ШИМ-модуляцией.

Если объединить структурные схемы (рис.3.11. - 3.12.), в общую модель, то получится математическая модель реального преобразователя частоты. Эта модель приведена на (рис.3.13.).

Рис. 3.13. Структура схема реального преобразователя частоты с ШИМ - Модуляцией кривой выходного напряжения

Система регулирования частотно-регулируемого электропривода с системой скалярного управления, реализующая режим постоянства мощности, включает в себя внешний контур с регулятором мощности, стабилизирующий мощность на предельном уровне Рпред = (2 Ч 10) МВт, и внутренний контур с регулятором амплитудного значения тока статора двигателя. Для формирования сигналов обратных связей в системе должен быть предусмотрен вычислитель ненаблюдаемых координат. В данном случае по информации, полученной путем прямого измерения мгновенных значений (фазные напряжения и токи статора асинхронного двигателя и частота вращения ротора двигателя) вычисляется величина полной и полезной мощности электропривода.

Вычислитель ненаблюдаемых координат в системе скалярного управления строится в соответствии со следующим математическим описанием:

(3.30)

Структурная схема вычислителя ненаблюдаемых координат электропривода приведена на (рис.3.14.).

Рис.3.14. Структурная схема вычислителя ненаблюдаемых координат электропривода.

Блок регуляторов в системе скалярного управления, обеспечивающего режим стабилизации мощности включает в себя П - регулятор механической мощности двигателя и ПИ - регулятор амплитудного значения тока статора. Структурная схема блока регуляторов приведена на( рис.3.15.).



Рис.3.15. Структурная схема блока регуляторов.

Полученный на выходе блока регуляторов сигнал щоп подается на вход структурной схемы идеального преобразователя частоты, реализующего закон частотного управления, вместо сигнала задатчика интенсивности. На выходе идеального преобразователя частоты при этом формируются тригонометрические функции вида cos щопt и sin щопt. Эти сигналы поступают на вход модели реального преобразователя частоты с ШИМ - модуляцией выходного напряжения.

На основании вышеизложенных положений, опираясь на систему уравнений состояния двигателя, разботаем схему моделированию привода насоса, с помощью пакета прикладной программы Matlab/Simulink, схемой, представленной на (рис.3.16.).

Рис.3.16. Структурная схема насосной установки.

Модель состоит из следующих элементов:

Задатчика интенсивности;

Блока ограничения;

Генератора импульсов;

Дискретного ШИМ генератора;

Источника напряжения переменного тока;

ШИМ инвертора;

Блок измерения параметров двигателя

Система автоматического регулирования;

Модель двигателя;

Модель насосной нагрузки;

Модель трубопроводов.

§ Модель насосной нагрузки состоит из двух блоков и моделирует сопротивление вращению на валу двигателя от насоса. Здесь коэффициент:

(3.31)

§ Модель трубопроводов представляет собой совокупность блоков, которые моделируют сопротивления движению жидкости в трубопроводах. Здесь коэффициент:

. (3.32)

3.8 Результаты моделирования

Переходные процессы в системе скалярнаго управления электроприводом насосного агрегата представлены на (рис.3.17.).

Рис.3.17. Переходные процессы систем в режиме пуск, разгон и моделирования внешнего воздействия

Моделирование проводилось с фиксированным шагом .

Анализ полученных диаграмм показывает, что предпалагаемый электропривод позволяет:

§ Осуществить плавный разгон двигателя до номинальной частоты вращения при пуске, при этом скачок электромагнитного момента не превышает критического значения;

§ Осуществить плавное регулирование частоты вращения в заданном диапазоне;

§ Производился пуск двигателя с вентиляторной нагрузкой до номинальной скорости.

§ Двигатель разгоняется до номинальной скорости в течение 1,5 секунд. Он приводит в движение насос, который перекачивает минеральные серья. Через 1,5 секунды с начала пуска насос обеспечивает необходимое давление, равное 5,8 МПа. При этом момент сопротивления равен моменту номинальному.

§ После разгона до номинальной скорости происходит наброс и сброс давления.

§ Из рис.3.17. видно, что все эти возмущения отрабатываются примерно за одну секунду, после чего давление выравнивается и устанавливается равным заданию.

3.9 Описание преобразователя частоты PowerFlex 7000

Таблица 3.4. Технические характеристики ПЧ PowerFlex 7000

Питающая сеть
Силовые цепи:	3х6 кВ, +10%, 50(60) Гц ± 2%
Цепи управления:	3х380 В, +10%, -15%, 50(60) Гц ± 2% (с заземленной либо изолированной нейтралью)
Сеть питания электродвигателя
Выходное напряжение:	3х(0…6 кВ) ± 2% (значение максимального выходного напряжения программируется)
Выходная частота:	0…50 Гц ± 0,1% (значения максимальной и минимальной частоты программируются)
Параметры электропривода
Ток перегрузки:	110% номинального значения в течение 120 с Среднеквадратичное значение тока не должно превосходить номинальное за время усреднения 10 мин.
Коэффициент мощности двигателя	0,8 - 1,0
Коэффициент полезного действия	0,97
Коэффициент мощности на стороне питающей сети	0,95
Сопротивление электрической изоляции гальванически не связанных частей электропривода между собой и относительно корпуса, не менее:
для цепей с номинальным напряжением 220 В и 380 В	не менее 5 МОм
для цепей с напряжением до 60 В	не менее 5 МОм
для силовых цепей, относительно корпуса	не менее 100 МОм
Электрическая прочность изоляции (кроме силовых трансформаторов и реакторов)
для цепей с номинальным напряжением 380 В	2500 В, 50 Гц, 1 мин.
для цепей управления напряжением 60 В	1500 В, 50 Гц, 1 мин.
Кратковременное допустимое отклонение напряжения питающей сети	40%
Условия окружающей среды
рабочая температура	+1 …+40°С,
влажность (без конденсации)	до 80%.

В электроприводах PowerFlex 7000 реализованы:

§ оптимизированные алгоритмы высокочастотного ШИМ-управления,

§ законы частотного регулирования АД. Это обеспечивает работу АД во всевозможных режимах.

Электроприводы PowerFlex 7000 обеспечивают:

§ плавный пуск;

§ длительную работу в заданном диапазоне частот вращения и нагрузок;

§ реверсирование движения;

§ торможение и останов.

§ защиту электрического и механического оборудования в аварийных и нештатных режимах.

Предусматривают работу в ручном и автоматическом режимах.

Для приема управляющих и задающих сигналов и управления внешними устройствами электропривод содержит:

§ 6 - дискретных входов;

§ 2 - аналоговых входа;

§ 6 - программируемых релейных выходов;

§ 4 - аналоговых выхода.

Также электропривод PowerFlex 7000 поддерживает обмен данными с внешними устройствами и с дистанционным пультом управления на расстояние до 1000 м. Обмен данными происходит через интерфейс RS485 в соответствии с протоколами «Modbus», «Profibus», CAN.

Электропривод PowerFlex 7000 состоит из 4-х электрических модулей, представленных на структурной схеме (рис.3.18). В первом модуле размещена высоковольтная батарея конденсаторов фильтра звена постоянного тока. В остальных трёх модулях размещены компоненты преобразователя частоты, построенного по схеме выпрямитель - инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Каждый модуль содержит два плеча диодного выпрямителя (фаза сети) и два плеча инвертора (фаза двигателя). Модули соединены между собой по трёхфазной системе питания и инвертирования при помощи шин или кабелей. На боковых стенках силовых модулей закреплены шкафы питания вентиляторов системы охлаждения привода.

Система управления размещена в отдельном шкафу вертикального исполнения и связана с силовыми модулями при помощи экранированных сигнальных кабелей. Там же установлены коммутационные аппараты питания собственных нужд.

Силовые ключи инвертора построены на запираемых (GTO) тиристорах. В связи с относительно высоким уровнем выпрямленного напряжения в каждом плече

установлено по 4 прибора 55-го класса. Это позволяет повысить надёжность устройства, а так же обеспечить «мягкую» аварийную остановку преобразователя в случае выхода из строя одного прибора.

Для управления тиристорами использован способ переключения по эмиттеру со встроенным низковольтным МОП драйвером. Обратный ток управляющего электрода возникает за счёт быстрого отключения цепи катода и естественного перевода анодного тока в цепь управляющего электрода.



Рис.3.18. Структурная схема преобразователя частоты PowerFlex 7000

О текущем состоянии электропривода можно узнать по состоянию элементов индикации либо по информации, выводимой на ЖК-дисплей ПУ-4.

Элементы индикации электропривода сообщают о:

§ включенном/отключенном состоянии;

§ нормальном/аварийном режиме работы;

§ наличии напряжения силовой питающей сети;

§ наличии напряжения собственных нужд;

§ вышедшем из строя тиристоре инвертора.

Графический ЖК-дисплей предназначен для контроля программных параметров и индикации текущих значений, таких как:

§ текущая частота выходного напряжения;

§ текущее выходное напряжение;

§ выходной ток преобразователя;

§ напряжение в звене постоянного тока;

§ величина уставки технологического параметра;

§ фактическое значение величины технологического параметра;

§ текущее время;

§ текущий режим работы.

На ЖК-дисплей ПУ информация выводится в виде легко распознаваемых знаков или текстовых сообщений. Для удобства пользователя вся выводимая информация сведена в функциональные группы.

Электроприводы PowerFlex 7000 предусматривают работу в ручном и автоматическом режимах.

В ручном режиме привод отрабатывает заданное оператором значение частоты и напряжения и поддерживает соответствующую скорость двигателя.

В автоматическом режиме регулирование частоты вращения электродвигателя происходит в замкнутой системе. Регулирование осуществляется встроенным программным ПИД-регулятором по сигналам с датчиков обратной связи (датчик скорости, датчик технологического параметра и т.п.).

В особом подрежиме автоматического режима (в режиме работы по таймеру) регулирование осуществляется на основании запрограммированных значений интервалов времени и соответствующих им величин технологического параметра.

Управление может осуществляться с местного встроенного пульта или с пульта дистанционного управления. В автоматическом режиме требуемое значение технологического параметра задаётся:

§ потенциометром «задание» системы управления;

§ с помощью клавиатуры пульта управления;

§ с помощью команды по каналу последовательной связи.

Значение сигнала обратной связи стандартного типа принимается по соответствующему аналоговому входу.

В ручном режиме задание выходной частоты производится:

§ потенциометром «задание»;

§ с помощью клавиатуры пульта управления;

§ с помощью команды по каналу последовательной связи;

§ дистанционно унифицированным сигналом.

Выбор источника управляющего сигнала осуществляется путём программирования соответствующих параметров.

Для подключения внешних устройств система управления содержит (табл. 3.5):

Таблица 3.5. Входы и выходы ПЧ PowerFlex 7000

Дискретные входы	6 (сигнал типа "сухой контакт", Rнагр=2 кОм, I=10...20 мА)
Аналоговые входы	2 (0...10В; 0(4)...20 мА) по согласованию с Заказчиком количество входов может быть увеличено до 6
Программируемые релейные выходы	6 ("сухой контакт", 250 В, 0,3 А)
Аналоговые выходы	4 (0...10В; 0(4)...20 мА) субмодуль аналоговых выходов поставляются по согласованию с Заказчиком

Шесть дискретных входов электропривода PowerFlex 7000 гальванически развязаны (помехозащищены). Они могут быть настроены на прием логических сигналов, управляющих:

§ выбором текущего режима;

§ выбором текущего источника задания;

§ выбором текущего источника обратной связи;

§ выбором текущих темпов разгона-торможения;

§ выбором направления вращения ротора двигателя;

§ выбором текущего номера фиксированного ручного задания из заданного ряда;

§ СТАРТОМ;

§ СТОПОМ;

§ блокировками № 1 или № 2, обеспечивающих останов по запрограммированному Пользователем алгоритму;

При настройке ЭП, любой дискретный вход (с сохранением настроек на функции) может быть заменен Пользователем специальной ячейкой оперативной памяти (логический коммутатор с №, соответствующим № дискретного входа), содержимое которой может быть программно изменено.

Шесть аналоговых входов электропривода PowerFlex 7000 гальванически развязаны (помехозащищены). Они могут быть настроены на прием сигналов, используемых как:

§ альтернативный источник задания ручного режима № 1;

§ альтернативный источник задания ручного режима № 2;

§ альтернативный источник задания автоматического режима № 1;

§ альтернативный источник задания автоматического режима № 2;

§ источник обратной связи № 1;

§ источник обратной связи № 2.

При настройке, любой аналоговый вход (с сохранением настроек на функции) может быть заменен Пользователем специальным 16-разрядным регистром в оперативной памяти (кодовый регистр с №, соответствующим № аналогового входа). Содержимое регистра может быть программно изменено.

Шесть дискретных (релейных) выходов электропривода PowerFlex 7000 гальванически развязаны (помехозащищены). Они могут быть настроены на выдачу сигналов (прямых или инверсных -- переключающийся контакт) для:

§ аварийной сигнализации с целью оповещения персонала;

§ блокировки смежного технологического оборудования;

§ отображения различных фаз работы электропривода;

§ включения/выключения дополнительных двигателей;

Четыре аналоговых выхода электропривода PowerFlex 7000 гальванически развязаны (помехозащищены). Они могут быть настроены на выдачу сигнала, эквивалентного одному из текущих параметров преобразователя:

§ текущей выходной частоты;

§ текущего значения тока двигателя;

§ текущего значения выходной мощности.

В электроприводе PowerFlex 7000 предусмотрена возможность увеличения числа входов/выходов с помощью дополнительных встраиваемых субмодулей расширения.

Внешнее управляющее устройство имеет возможность дистанционной настройки электропривода, а также считывания специальными командами протокола дистанционного цифрового управления следующей информации о:

§ текущем состоянии дискретных входов вместе с информацией о том, какие входы заняты функциями электропривода;

§ текущем состоянии логических коммутаторов вместе с информацией о том, какие из них заняты функциями электропривода;

§ текущем состоянии аналоговых входов;

§ текущем состоянии кодовых регистров;

§ текущем состоянии релейных выходов вместе с информацией о том, какие выходы заняты функциями электропривода.

Для питания внешних цепей управления содержит изолированный (нестабилизированный) источник питания 24 В (0,2 А).

4. Электроснабжение на предприятии

Месторождение «Катока» входит в пятёрку крупнейших алмазных трубок мира. Диаметр трубки равен приблизительно 900 м. запасы её оцениваются в 400-500 млн.карат. Электроснабжение предприятия осуществляется от собственной дизельной электростанции в составе 8-ми генераторов по 1,36 МВт и 8 генераторов по 1,46 МВт суммарной мощностью 22,56 МВт. В пределах жилого посёлка ГРО «Катока» располагаются две ДЭС мощностью 0,55 и 0,4 МВт, служащие резервом при остановке или профилактике головной ДЭС.

В настоящее время суточное потребление электроэнергии ГРО «Катока» составляет 75-80 тыс.кВтч, ориентировочно 75-80 % от общего объёма электропотребления приходится на производственные нужды, остальную часть потребляет жилой посёлок. График суточного потребления электроэнергии достаточно выровненный, потребляемая мощность в среднем составляет 3,7-3,9 МВт, максимум 4.4 МВт. Один раз в неделю каждая из обогатительной фабрик останавливается на плановую профилактику.

4.1 Главные понизительные подстанции и источники питания

В соответствии с рекомендованной главной электрической схемой электроснабжение установки осуществляется от двух независимых взаимнорезервирующих воздушных линий 35/6 кВ, обеспечивая электроснабжение по I категории надежности. Рис. 4.1.

На подстанции предусматривается установка двух трехфазных двухобмоточных трансформаторов типа ТДНС-63000/110, мощностью по 63000 кВА; напряжением 11591,7811/6,6 кВ с регулированием напряжения под нагрузкой. Охлаждение трансформатора масляно-воздушное, с естественной циркуляцией масла и принудительной циркуляцией воздуха. Полная масса трансформатора составляет 23,5 тонны, транспортная - 19,5 тонны, масла - 6,5 тонны.

От ГПП-I по токопроводам 10 кВ получают питание цеховые трансформаторные подстанции и двигатели мельниц мощностью 2500 кВт; по токопроводам 6 кВ - двигатели 250 и 500 кВт конвейеров корпуса обогащения и корпусов дробления, 400 кВт дробилок, вентиляторов, 500 и 630 кВт насосов корпуса обогащения отделения сгущения, пульпонасосной, 1000 кВт мельниц корпуса обогащения и 3150 кВт землесосы пульпонасосной.