Размещено на http://www.allbest.ru/

48

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Дипломный проект представлен пояснительной запиской объемом 88 страниц, чертежами и плакатами на 6 листах формата А1 и приложением.

В дипломном проекте разработана система управления насосной станцией, построенная на базе частотного преобразователя.

В соответствии с заданием проведен обзор существующих систем управления электроприводов насосов. Выбран насосный агрегат, произведен расчет и выбор электродвигателя, и построены его механические характеристики. Сделан выбор преобразователя частоты, описана его настройка. Описана работа системы управления по схеме электрической принципиальной. В соответствии с заданием реализованы устройства индикации и аварийной сигнализации. Рассчитан экономический эффект и срок окупаемости предлагаемого решения. Освещен вопрос охраны труда и техники безопасности.

Содержание

• Введение
• 1. Описание объекта проектирования
• 1.1 Параметры электропитания насосной станции
• 2. Технологический процесс производства пара и место насосов воды
• 3. Техническое задание
• 3.1 Основные технические требования
• 3.2 Функции системы управления
• 4. Требования к электроприводу и выбор системы
• 5. Выбор насоса
• 6. Расчет и выбор двигателя
• 7. Расчет и построение механической характеристики двигателя 5АН280В2
• 8. Выбор преобразователя частоты и его описание
• 8.1 Программные функции преобразователя частоты EI-P7002-300H
• 8.2 Монтаж и подключение преобразователя частоты EI-P7002-300H
• 9. Программирование пульта управления преобразователя частоты
• 10. Описание структурной схемы электропривода
• 11. Описание схемы электрической принципиальной
• 12. Расчет затрат на электропривод насосной установки
• 12.1 Смета на приобретение и монтаж оборудования
• 12.2 Расчет эксплуатационных затрат
• 12.3 Расчет потребляемой электроэнергии
• 12.4 Затраты на ремонт и межремонтное обслуживание
• 12.5 Расчет затрат на заработную плату ремонтного персонала
• 12.6 Расчет амортизационных отчислений
• 12.7 Расчет общих затрат на эксплуатацию
• 12.8 Расчет приведенных затрат по вариантам
• 12.9 Расчет годового экономического эффекта
• 12.10 Расчет срока окупаемости
• 13. Вопросы безопасной эксплуатации электропривода насосов
• 13.1 Общие положения
• 13.2 Меры безопасной эксплуатации электроприводов
• 13.3 Подготовка к работе электропривода и порядок его работы
• 13.4 Порядок ревизии и ремонта центробежных насосо
• 13.5 Заземление
• Заключение
• Список использованных источников
• Приложение А

Введение

Внедрение энергосберегающих технологий сегодня -- это не дань моде, особенно для нашей огромной северной страны и при нашем нынешнем экономическом состоянии. Энергосберегающих технологий много, эффективность их зависит от множества факторов. В настоящее время подавляющее большинство управляемых электроприводов строятся на базе асинхронных электродвигателей и преобразователей частоты, где преобразователь частоты выполнен по схеме неуправляемый выпрямитель -- автономный управляемый инвертор напряжения; то есть, сначала электрическая энергия сети преобразуется в постоянный ток, а потом инвертор создает трехфазный электрический ток переменной частоты.

Возможности, открывающиеся при использовании преобразователя частоты в качестве регулирующего устройства для электропривода, выполненного на асинхронном электродвигателе, безграничны. Одной из главных тенденций развития современного электропривода является использование его в целях сбережения энергетических ресурсов и экологии. Следует отметить, что использование преобразователей частоты в качестве регулируемого электропривода создает свои преимущества за счет автоматического изменения параметров системы в зависимости от условий работы механизма, и наибольший эффект достигается, когда условия работы часто меняются и пределы изменений достаточно широки. Система регулируемого электропривода управляется микроконтроллером с достаточно солидным программным обеспечением, позволяющим задавать параметры регулирования в зависимости от необходимых условий работы механизма. В этой связи расширяется область применения регулируемого электропривода не только в сферах высоких технологий, но и там, где до настоящего времени традиционно использовался простой нерегулируемый электропривод с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. При этом важным становится повышение энергетической эффективности существующих электроприводов, позволяющих решать технологические задачи при минимальных затратах.

В данном дипломном проекте речь пойдет о станции автоматического управления двумя электроприводами, которые приводят во вращение два питательных насоса центробежного типа. Насосы предназначены для питания водой угольных паровых котлов. Насосы работают попеременно, переключение происходит с периодичностью, установленной графиком планово предупредительных работ. Внедрение преобразователей частоты в систему водообеспечения обусловлена, во-первых, более высокой экономической эффективностью частотно управляемых электроприводов, по сравнению с системой «электродвигатель - питательный насос - дроссельная задвижка», когда регулирование подачи воды производилось вручную операторами. Во-вторых, тем, что альтернативы при внедрении новых регулируемых электроприводов на сегодняшний день нет [1].

1. Описание объекта проектирования

Существующая насосная станция состоит из группы контакторов, которые осуществляют коммутацию асинхронных двигателей, которые, в свою очередь, приводят во вращение центробежные насосы.

Структурная схема представлена на рисунке 1.1. На объекте контакторы расположены в металлическом шкафу, куда заведены силовые цепи.

Рисунок 1.1 - Структурная схема станции автоматического управления питательными насосами.

1.1 Параметры электропитания насосной станции

Напряжение питающей сети - 380 В, частота питающей сети - 50 Гц. Система управления питается от подстанции КТП мощностью 1000 кВА. Категория электроснабжения - 1, которая предусматривает наличие резервной линии электропитания при выходе из строя основной. Допускается отклонение питающего напряжения в пределах -15%...+10% от номинального значения (380В), обеспечивается длительный режим работы одного из трехфазных асинхронных электродвигателей мощностью 200 кВт. Их количество - 2 шт. Обеспечивается защита двигателей от короткого замыкания, от перегрузки по току более 20% сверх номинального значения (354А), от перегрева, от повышенного и пониженного напряжения питающей сети. Степень защиты по ГОСТ 14254-96 - IP54.

Необходимые условия технической эксплуатации станции управления питательными насосами: высота над уровнем моря не более 1000м., температура окружающего воздуха в пределах -10…+40єС, относительная влажность воздуха не более 90%. Окружающая среда должна удовлетворять требованиям типа II по ГОСТ 15150-69, т.е. невзрывоопасная, не содержащая токопроводящей пыли, агрессивных коррозийных газов и паров. Все условия технической эксплуатации выполняются установкой станции автоматического управления питательными насосами в помещение, где сосредоточено все управляющее оборудование, средства КИПиА. Данное помещение оборудовано системой отопления, обеспечивающей заданный диапазон температур, а также удовлетворяет всем требованиям ГОСТ 15150-69, то есть помещение является невзрывоопасной, не содержащей токопроводящей пыли, агрессивных коррозийных газов и паров.

2. Технологический процесс производства пара и место насосов воды

Процесс производства пара, технологическая схема которого представлена на рисунке 2.1 и на чертеже 3, включает в себя несколько стадий.

Рисунок 2.1 - Технологическая схема

К воде, используемой в котлах для производства пара, предъявляется ряд требований, например, из воды должна быть удалена углекислота, кислород, мелкие взвеси грунта, мусор и т.п. Процесс обеспечения этих требований называется водоподготовкой, производится в отдельном цехе. Она производится на основе применения целого ряда фильтров для очистки воды, которые образуют комплексную систему водоочистки. Вода, подающаяся с водохранилища, проходит на данной стадии осветление, фильтрацию, очистку от кальция и магния. Осветление воды делается только в том случае, если после выпадения осадков с водохранилища поступает мутная вода, т.е. в ней присутствуют взвеси грунта. Фильтрация производится от мелкого мусора и частиц, который также могут присутствовать в воде, поступающей с водохранилища. Очистка от калия и магния производится для предотвращения накипи на внутренней поверхности трубопроводов котла. После этапа водоподготовки вода поступает непосредственно в котельную, а именно в деаэратор.

Деаэрация - это процесс удаления из воды углекислого газа и кислорода. Деаэрация осуществляется термическим способом, который является и, должно быть, еще долгое время будет одним из основных средств обеспечения надежности систем теплоснабжения и их теплоисточников. Термическая деаэрация сочетает процессы нагревания воды до температуры насыщения (104С) и выведения диоксида углерода и кислорода из воды в паровую среду. Деаэрация происходит за счет образования и удаления пузырьков газа из воды. Большая часть газа удаляется из воды в процессе выделения пузырьков. Данный способ является самым доступным и простым способом удаления газов из питательной воды. На котельной используются горизонтальные деаэраторы атмосферного типа, которые предназначены для удаления коррозионно-агрессивных газов (кислорода, воздуха и свободной углекислоты) из питательной воды паровых котлов. Необходимость их применения при деаэрации воды для паровых котлов доказана в ходе длительной эксплуатации котельных. Деаэраторы значительно продляют срок работы комплекса оборудования котельных и позволяют снизить издержки на обслуживание. Из деаэратора вода подается в котел питательным насосом ПЭ 65-53. Подача воды происходит под давлением 58 кг/см2. Расход воды обусловлен работающими котлами. Один котел типа ДКВр 10-39-440 потребляет 10 куб.м./ч воды в номинальном режиме, и 13 куб.м./ч воды в режиме максимальной производительности.

Перекачивание воды в котел. Производится насосом, который приводится во вращение асинхронным электрическим двигателем. Регулирование подачи воды производится дроссельной задвижкой на питательной магистрали котла. Излишнее давление понижают перепуском перекаченной воды из питательной магистрали обратно во входной патрубок насоса.

Производство пара. Вода при поступлении в котел проходит сеть трубопроводов, и поступает в барабан, где происходит ее нагрев, закипание, и парообразование, после данной стадии пар идет по паропроводам на технологические нужды предприятия, а также поступает на бойлерную для нагрева воды и снабжения жилого микрорайона теплоэнергией и горячей водой. Объем произведенного пара может изменяться в пределах 3-39 куб.м./ч в зависимости от нужд предприятия.

3. Техническое задание

Необходимо спроектировать станцию автоматического управления электроприводом питательных насосов.

Станция автоматического управления электроприводом (далее СУ) предназначена для управления преобразователем частоты и питательными насосами котлов с целью поддержания заданного давления в магистрали по сигналу от датчика давления.

3.1 Основные технические требования

Станция автоматического управления электроприводом должна обеспечить:

а) Управление коммутацией двух трехфазных асинхронных двигателей насосных агрегатов. Максимальное количество работающих насосов - один.

б) Два режима управления:

1) ручной. Выдача команд на пуск и останов насосов непосредственно от сети. Регулирование производительности с помощью задвижек;

2) автоматический. Автоматическое поддержание заданного уровня давления по сигналу от датчика.

в) Подключение сигнальных и управляющих цепей к СУ экранированным кабелем.

г) Нормальное функционирование СУ при колебаниях входного напряжения -15…+10%, при изменении частоты питающей сети в пределах -5…+5%.

д) Нормальное функционирование при следующих условиях эксплуатации:

1) Температура окружающей среды -10…+40єС.

2) Относительная влажность 90%.

е) Степень защиты системы управления в соответствии с ГОСТ 14254-96 - IP54.

3.2 Функции системы управления

Станция автоматического управления должна обеспечивать следующие функции:

а) Аварийный останов двигателей.

б) Выбор рабочего и резервного насосов.

в) Выбор режима управления - ручное/автоматическое.

г) Команда пуск/останов насосов в автоматическом и ручном режимах.

д) Индикация работы каждого из насосов.

е) Индикация аварии преобразователя частоты.

4. Требования к электроприводу и выбор системы

Насосные установки широко применяются на электромашиностроительных предприятиях для перекачивания жидких сред, а также технологической и охлаждающей воды. Сюда относятся насосы для перекачки охлаждающей эмульсии в металлообработке, насосы в системе водоснабжения и канализации, специальные насосы для химических сред в гальванических цехах, насосы для пропиточных составов, лакокрасочных материалов и т.п.

Наиболее широкое распространение получили установки с центробежными насосами. В спиральном корпусе насоса помещается рабочее колесо с лопатками. При вращении колеса двигателем жидкость, поступающая к центру колеса из заборного резервуара через всасывающий трубопровод и открытую задвижку, центробежной силой выбрасывается по лопаткам на периферию корпуса. В результате в центре рабочего колеса создается разряжение, жидкость засасывается в насос, снова выбрасывается и далее подается в напорный трубопровод [2]. Таким образом, в системе при открытой задвижке создается непрерывное течение, и центробежный насос имеет равномерный ход.

Качество электропривода в основном зависит от его системы управления. Современные регулируемые электроприводы управляются в большинстве случаев по замкнутому принципу. Замкнутые системы управления электроприводами образуются за счет введения обратных связей по какому - либо параметру для того, чтобы поддерживать определенное соотношение между входной и выходной величинами при наличии возмущающих воздействий, например при изменении нагрузки [3]. Применение обратных связей в электроприводах позволяет значительно увеличить диапазон регулирования скорости, повысить жесткость механических характеристик, сохранить перегрузочную способность двигателя при регулировании скорости, улучшить качество переходных процессов.

Существуют различные виды обратных связей как по выполняемым функциям, так и по исполнению. Например, в зависимости от физической величины, передаваемой на вход, существуют обратные связи по скорости, положению, току, напряжению, вращающему моменту. По относительному знаку передаваемой величины - положительные и отрицательные.

В настоящее время в автоматизированных электроприводах все шире применяется программное регулирование, осуществляемое на основе определенной информации или программы. В специальных приводах развиваются также самонастраивающиеся системы управления, действующие в зависимости от отклонения регулируемых величин от их экстремальных значений.

Все системы управления насосами делятся на три группы [4]:

а) К первой группе относятся системы, которые включают в себя устройства, дросселирующие сеть, то есть изменяющие характеристику сети, но не изменяющие характеристику насоса. К таким устройствам можно отнести клапаны, электрические задвижки и др. Дросселирование при постоянной скорости вращения электропривода насоса - самый неэкономичный, хотя самый распространенный способ регулирования. Он заключается в искусственном введении в магистраль дополнительного сопротивления в виде дроссельной задвижки. Способ регулирования может применяться только в сторону уменьшения подачи.

б) Ко второй группе можно отнести устройства, изменяющие характеристику насоса, но не изменяющие характеристику сети. Примером таких устройств могут служить регулируемые электродвигатели переменного тока, фрикционные муфты, гидромуфты, и др. Данный способ будет экономичен только при экономичном методе регулирования скорости электропривода. Заключается в регулировании подачи воды путем измерения давления в магистрали, и поддержания заданного уровня давления.

в) В третью группу входят устройства, изменяющие характеристику и сети, и насоса. Примером может служить регулируемый насос, работающий на магистраль, которая регулируется дроссельными задвижками.

В данном дипломном проекте система управления электроприводами относится ко второй группе. Регулирование подачи воды производится регулированием скорости вращения ротора приводного двигателя, соответственно и рабочего колеса насосного агрегата. В случае выхода из строя преобразователя частоты или при сбое в системе управления подачей воды переводится в ручной режим, и двигатель подключается напрямую к сети.

Наиболее современным на сегодняшний день является регулирование частоты вращения роторов приводных двигателей [5], соответственно и рабочих колес насосов, с помощью преобразователей частоты, которые позволяют плавно регулировать скорость электродвигателя насоса, и, тем самым, поддерживать давление в магистрали при разных расходах перекачиваемой жидкости. При малых расходах жидкости двигатель насоса вращается с малой скоростью, необходимой только для поддержания номинального давления и не расходует лишней энергии. При увеличении расхода жидкости преобразователь увеличивает частоту вращения электродвигателя, повышая производительность насоса при сохранении заданного давления.

Система управления будет состоять их преобразователя частоты, коммутационной аппаратуры, систем индикации, датчика обратной связи по давлению. Необходимо подобрать преобразователь частоты, который сможет обеспечить технические требования объекта проектирования, а именно:

а) Управление двумя асинхронными трехфазными двигателями.

б) Скалярный принцип управления электродвигателями.

в) Управление по закону U/f=const.

г) Подключение датчика давления.

д) Встроенный ПИД-регулятор.

5. Выбор насоса

В группу питательных насосов входят насосы двух типов ПЭ и ЦВК, они предназначены для питания котлов водой, не содержащей твердых частиц. Питательные насосы типа ПЭ обеспечивают подачу воды с температурой до 165°С в барабанные и прямоточные паровые котлы. Конструктивно они представляют собой горизонтальные секционные многоступенчатые насосы с односторонним расположением рабочих колес и делятся на однокорпусные и двухкорпусные. Шестнступенчатые однокорпусные насосы ПЭ65/40, ПЭ65-53, ПЭ150-53 и ПЭ150-63 предназначены для котлов давлением пара 40 кГс/см2. Опорами вала служат два подшипника скольжения с камерами водяного охлаждения. Конструкцией насосов предусмотрено охлаждение сальников водой. Воде подается в узел уплотнения для конденсации паров перекачиваемой жидкости, которые могут просачиваться через уплотнение. Цифровое обозначение насосов: первая цифра - подача м3/час, вторая - напор в кГс/см2. Питательные центробежно-вихревые консольные насосы типа ЦВК предназначены для перекачивания воды и других нейтральных жидкостей с температурой от -15° до +105°C, содержащих твердые включения размером до 0,05 мм, концентрацией не более 0,01% по массе. В цифровом обозначении насоса числитель дроби - подача, знаменатель - напор.

Подача - это объем жидкости, подаваемой насосом в единицу времени, выраженной в м3/час (кубометров в час) или л/сек, (литров в секунду). Обозначается "Q" [6].

Напор - это разность удельных энергий жидкости в сечениях после и до насоса, выраженная в метрах водяного столба. Обозначается "Н" [6].

В насосах объемного типа пользуются понятием "давление", выраженным в атмосферах (кГс/см2).

Напорная характеристика отражает основные потребительские свойства насоса. Выбор насоса начинается с подбора напора (давления) и подачи.

Важным гидравлическим параметром насоса является допустимая вакуумметрическая высота всасывания, характеризующая нормальные условия подхода жидкости к рабочему колесу. Эта величина выражается в метрах водяного столба при температуре 20°С и при нормальном атмосферном давлении.

Большая часть неприятностей при эксплуатации насоса связана с плохими условиями на всасывании насоса и возникновением, как следствие этого, кавитации (образование газовых пузырьков в жидкости) [7].

Кавитация ведет к быстрому износу насоса или к его разрушению из-за вибрации (чаще всего подшипниковых узлов).

Как и всякую машину, насосный агрегат характеризует потребляемая мощность, определяющая комплектующий двигатель. Величина мощности насоса находится в прямой зависимости от величины напора и подачи и обратно пропорциональна его коэффициенту полезного действия.

Разброс КПД насосных агрегатов велик (от 20 до 98%). Столь существенный разброс определяется разным характером взаимодействия рабочего органа с жидкостью. Общая закономерность: динамические насосы значительно уступают по этому параметру насосам объемного типа. Значимость этого параметра для больших насосов велика.

На выбор комплектующего электродвигателя в значительной мере может влиять удельный вес перекачиваемой жидкости и вязкость (с повышением удельного веса и увеличением вязкости возрастает потребляемая мощность).

Под регулированием работы насоса подразумевается процесс изменения соотношения между подачей и напором. Регулирование насоса можно осуществлять двумя методами:

а) конструктивное изменение характеристики насоса;

б) изменение условия работы системы "насос-сеть". Универсальным методом (как для динамичных насосов, так и для объемного типа) изменения характеристики насоса является изменение частоты вращения привода. При этом надо учитывать, что подача находится в прямой зависимости от частоты вращения, а напор (для центробежных насосов) - в квадратичной зависимости.

В практике насосостроения нашло применение регулирование частоты вращения с помощью регулируемого электропривода (тиристорные преобразователи частоты ТПЧ и синхронные или асинхронные электродвигатели). Положительной особенностью этого метода является то, что на группу из нескольких рабочих насосов достаточно иметь один регулируемый насос. Это существенно снижает затраты и обеспечивает конкурентоспособность этого метода с другими методами.

Основным методом регулирования работы центробежного насоса является изменение условий работы насоса на сеть.

Графическое изображение напорной характеристики центробежных насосов представляет собой, как правило, пологую кривую, снижающуюся при большей подаче. Другими словами, при большей подаче мы имеем меньший напор и наоборот. Для каждой конструкции насоса имеется своя напорная характеристика, определяемая крутизной и максимальной величиной коэффициента полезного действия, то есть зоной оптимальной работы. Рабочая точка насоса на этой кривой определяется сопротивлением "сети". Если менять сопротивление сети, например, закрывая задвижку, то и рабочая точка будет смещаться влево по кривой, то есть насос будет выбирать режим работы на меньшей подаче, так как "вынужден" работать с большим напором, чтобы преодолеть дополнительное сопротивление (дроссельной задвижки).

Существует ещё один способ изменения условий работы насоса на сеть - это байпасирование, то есть установка регулируемого или нерегулируемого перепуска (байпаса) с напорной линии на всасывание. По отношению к насосу это аналогично снижению сопротивления, т.е. происходит снижение напора. По отношению к потребительской сети это аналогично снижению подачи. В результате рабочая точка (Q-H) сместится круто вниз, то есть в потребительской сети можно получить одновременно меньший напор и меньшую подачу (энергия жидкости идет на сброс).

При эксплуатации центробежных насосов следует выполнять два основных условия:

а) пуск насоса следует производить при заполненных всасывающем трубопроводе и корпусе насоса, и закрытой напорной задвижке;

б) запрещается осуществлять пуск насоса при закрытой или не полностью открытой всасывающей задвижке, а также работать более 2…3 минут при закрытой напорной задвижке.

Параметры насосного оборудования [6, 7]:

Q - подача (м3/час - кубометры в час или л/сек. - литры в секунду);

Н - напор ( м.в.ст. - метры водяного столба);

Р - давление (кГс/см - атмосферы или МПА - мегапаскали);

N - мощность (квт);

n - число оборотов в минуту или допускаемый кавитационный запас;

Т - температура в градусах С(по Цельсию) и К (по Кельвину);

Dhд- допустимая вакуумметрическая высота всасывания (метры водяного столба);

h- коэффициент полезного действия насосов (к.п.д.) в %.

В обозначении насосного оборудования традиционно закладывается много информации.

Насос выбирается по двум важнейшим характеристикам: напор (давление), и подача. Котел, который должен питать насос, имеет параметры, представленные в таблице 5.1.

Исходя из параметров котла, напор, который обязан обеспечить насос, должен быть не ниже 43кг/см2, а подача, необходимая для одного котла, равняется 10м3 воды, а так как котла три, то требуется обеспечит подачу в 30м3. Если учесть коэффициент запаса 1,3, то требуемая подача составит 39м3. Также насос должен обеспечивать перекачивание воды температурой не ниже 100°С. Подходящие по технологическим параметрам являются насосы типа ПЭ предназначены специально для обеспечения подачи воды с температурой до 165°С в барабанные и прямоточные паровые котлы.

Таблица 5.1 - Технические параметры котельного агрегата

Номинальная паропроизводительность, куб.м./ч	10
Абсолютное давление в барабане, МПа (кгс/см2)	4,3(43)
Рабочее давление на выходе из котла МПа (кгс/см2)	3,9(39)
Расчетное топливо	Древесные отходы (влажность 45-60 %, не более 100х100 мм)
Растопочное (резервное) топливо	Газ или мазут
Низшая теплота сгорания расчетного топлива, ккал/кг	2342
Температура пара, °С	440
Температура уходящих газов за воздухоподогревателем, не более, ° С	170
Температура уходящих газов за котлом, не более, ° С	380
КПД (брутто)	83
Температура питательной воды, ° С	100
Расход расчетного топлива, кг/ч	3389

Из серии ПЭ можно выбрать насос, который обеспечит подачу не ниже 39м3/ч., и напор (давление) не ниже 43кг/см2. Наиболее подходит по параметрам насос ПЭ 65-53 [19]. В таблице 5.2 представлены технические параметры насоса ПЭ 65-53.

Таблица 5.2 - Технические данные питательного насоса

Подача воды, куб.м./ч	Напор, м	Эл. двигатель, мощность(кВт)/об/мин	Габариты, мм (без эл.двигателя)	Масса, кг (без эл.двигателя)
65	580,00	200/2935	1900x845x900	1124

При разных частотах вращения рабочего колеса центробежного насоса получаются различные значения подачи и напора. Зависимость напора от подачи называется Q-H характеристиками, которые не имеют точного математического описания. Характеристики насоса поставляются совместно с паспортной документаций. Чтобы построить Q-H характеристику для насоса ПЭ-65-53, необходимо взять Q-H характеристику в относительных единицах для всей серии насосов ПЭ, и из нее получить необходимые данные. Построенные для насоса ПЭ 65-53 Q-H характеристики представлены на рисунке 5.1 и чертеже 6.

Рисунок 5.1 - Q-H характеристики питательного насоса ПЭ 65-53 при различных частотах вращения рабочего колеса.

6. Расчет и выбор двигателя

Насосные станции снабжаются электроэнергией, как правило, от централизованных источников электроэнергии -- энергосистем через систему линий электропередач.

Степень надежности электропитания зависит от категории насосной станции. Насосные станции первого класса надежности должны снабжаться электроэнергией от двух независимых источников, каждый из которых может обеспечить 100%-ную потребность станции в электроэнергии. Для электропитания насосных станций первой и второй категорий надежности, как правило, используются две высоковольтные линии напряжением 3--10 кВ (для насосных станций с высоковольтными двигателями 3--6 кВ). Насосные станции, потребляющие сравнительно небольшую мощность, можно снабжать электроэнергией по фидерам низкого напряжения от ближайшей трансформаторной подстанции. В насосных станциях, получающих электропитание от линий высокого напряжения, устраивают помещения для понизительных трансформаторов соответствующей мощности.

Категорию электроприемников насосных станций (для обеспечения надежности электроснабжения) определяют в соответствии с правилами устройства электроустановок [15].

На насосных станциях применяют, как правило, асинхронные и синхронные электродвигатели переменного трехфазного тока. Электродвигатели трехфазного тока выпускают на стандартные напряжения 220; 380; 500; 6000 и 10000 В. Для насосных агрегатов мощностью до 200 кВт применяют так называемые низковольтные электродвигатели на напряжение 220/380 и 500 В, а для более мощных агрегатов -- высоковольтные электродвигатели на напряжение 6 и 10 кВ.

Наиболее простыми и распространенными являются асинхронные двигатели. В зависимости от типов обмоток роторов различают асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором (так называемые короткозамкнутые) и с фазным ротором. Для насосов и другого оборудования станции более других подходят короткозамкнутые асинхронные двигатели, так как их можно включать без дополнительных пусковых устройств, а пусковой момент таких двигателей позволяет вводить их в работу под нагрузкой. Пусковой ток в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором может быть в 3--7 раз выше номинального тока. Согласно правилам устройства электроустановок [15], падение напряжения при запуске короткозамкнутых электродвигателей не должно превышать 10--15% значения номинального напряжения, поэтому очевидно, что можно применять короткозамкнутые двигатели с непосредственным включением лишь сравнительно небольшой мощности (до 100--200 кВт в зависимости от мощности подстанции).

Синхронные электродвигатели требуют предварительного разгона ротора, для чего в их роторе имеется дополнительная короткозамкнутая обмотка. Эта же обмотка служит для сглаживания колебаний скорости ротора и тока статора при изменении напряжения или частоты тока в сети. Синхронные электродвигатели имеют высокий коэффициент мощности и устойчиво работают при колебаниях напряжения в сети. Поэтому, когда требуются двигатели мощностью более 250 -- 300 кВт, рекомендуется устанавливать синхронные электродвигатели.

Номинальная частота вращения электродвигателей зависит от числа пар полюсов обмотки статора.

Электродвигатели по степени их защиты от воздействия внешней среды выпускают в различных исполнениях (незащищенное, защищенное, закрытое, брызгозащищенное и т. д.). Электродвигатели, устанавливаемые в помещениях, должны иметь защищенное исполнение.

В сырых помещениях следует устанавливать электродвигатели в брызгозащищенном исполнении с влагостойкой изоляцией. В заглубленных или шахтных насосных станциях в зависимости от их назначения, глубины и совершенства устройств для вентиляции помещения машинного зала применяют электродвигатели защищенного или закрытого исполнения с принудительной вентиляцией.

Так как регулирование в нашем случае будет осуществляться путем изменения частоты напряжения на статоре, то нам потребуется двигатель с короткозамкнутым ротором. Чтобы выбрать двигатель для насосного агрегата центробежного типа, необходимо выполнить несколько требований. Во-первых, двигатель должен соответствовать месту эксплуатации, то есть должен быть предназначен для работы в умеренном климате и в закрытых помещениях с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий. Во-вторых, он должен иметь частоту вращения 3000 об/мин, т.е. иметь число полюсов, равное двум. И, в-третьих, он должен иметь требуемую мощность.

Расчет мощности электродвигателя для насосов центробежного типа выполняется по следующей формуле [8]:

кВт, (6.1)

где - коэффициент запаса, для центробежных насосов принимается равным 1,1-1,4;

- плотность перекачиваемой жидкости. В нашем случае это перегретая вода (t=104?С), при такой температуре плотность воды ? 9548 ;

- производительность насоса. Для насоса ПЭ 65-53 производительность =0.018 ;

Н - высота столба, выдаваемого насосом. Для насоса ПЭ 65-53 высота столба Н=580м;

- коэффициент полезного действия насоса. Для насоса ПЭ 65-53 =66%;

- коэффициент полезного действия передаточного механизма. Так как в нашем случае редуктор отсутствует, коэффициент полезного действия передаточного механизма =1.

По величине Р подбирают ближайший больший по мощности комплектующий двигатель, при этом может быть использован любой тип двигателя с соответствующей мощностью и частотой вращения, и соответствующий вышеперечисленным требованиям. Частота вращения, требуемая для насоса - 2960 об/мин. Выбран двигатель 5AH 280 B2, удовлетворяющий всем вышеперечисленным требованиям.

7 Расчет и построение механической характеристики двигателя 5АН280В2

Рассчитаем и построим механическую характеристику выбранного асинхронного двигателя. Под механической характеристикой принято понимать зависимость частоты вращения ротора в функции от электромагнитного момента n = f(M). Эту характеристику можно получить, используя зависимость M = f(S) и пересчитав частоту вращения ротора при разных значениях скольжения [9, 10].

Т.к. , то , где - частота вращения магнитного поля.

. (7.1)

Точка идеального холостого хода с координатами 0 и:

, (7.2)

где р - число пар полюсов машины;

f - частота сети.

Точка номинальной скорости и момента с координатами и :

; (7.3)

, (7.4)

где - скорость вращения магнитного поля (скорость идеального холостого хода);

- номинальное скольжения, для двигателя 5AH 280 B2;

- номинальная мощность двигателя, для двигателя 5AH 280 B2 .

Точка критического момента и скольжения с координатами и :

; (7.5)

; (7.6)

, (7.7)

где - номинальный момент на валу двигателя;

- перегрузочная способность двигателя в относительных единицах;

- скорость вращения магнитного поля (скорость идеального холостого хода);

- критическое скольжения, для двигателя 5AH 280 B2.

Точка пускового момента и нулевой скорости с координатами 0, :

, (7.8)

где - кратность пускового момента в относительных единицах;

- номинальный момент на валу двигателя.

Для построения естественной механической характеристики воспользуемся программой Mathcad. Для построения характеристики необходимо ввести функцию, шаг функции. Шаг примем равным 0,0001 для получения более точной характеристики. Характеристику будем строить по функции:

, (7.9)

где - число пар полюсов;

- число фаз двигателя;

- номинальное фазное напряжение обмотки статора;

- скольжение, в программе МАТКАД задается шагом в пределах от 0 до 1;

- частота вращения ротора на холостом ходу;

- коэффициент, связывающий параметры двигателя в Т и Г-образной схемах замещения;

- активное сопротивление фазы статора;

- активное сопротивление фазы ротора;

- реактивное сопротивление фазы статора;

- реактивное сопротивление фазы статора.

Для построения естественной механической характеристики также необходимо знать активные и реактивные сопротивления фаз статора и ротора. Рассчитаем их по следующей методике [9]:

Паспортные данные двигателя, необходимые для расчета сопротивлений:

- номинальная выходная мощность Р_2н=200 кВт,

- номинальное фазное напряжение обмотки статора U_1н=380 В,

- номинальная частота тока f₁=50 Гц,

- номинальный коэффициент полезного действия з_н= 94.3 %,

- номинальный коэффициент мощности статорной обмотки сosц=0.89,

- номинальное скольжение ротора S_н= 1.4 %,

- критическое скольжение ротора S_k= 6.3 %,

- число пар полюсов: р=1,

- число фаз: m=3,

- скорость холостого хода: n₁=3000 об/мин,

- параметры Г-образной схемы замещения, которая представлена на рисунке 7.1, в режиме короткого замыкания в относительных единицах:

- в номинальном режиме [11]:

R`<sub>1*</sub>=0.021, X`_1*=0.092, R``<sub>2*</sub>=0.014, X``_2*=0.12, X_m*=4.4.

Рисунок 7.1 - Г-образная схема замещения

По известным паспортным данным асинхронного двигателя и параметрам Г-образной схемы замещения рассчитываются параметры Т-образной схемы замещения, которая представлена на рисунке 7.2.

Рисунок 7.2 - Т-образная схема замещения

Номинальный фазный ток статора

А. (7.10)

Базисное значение сопротивления

Ом. (7.11)

Угловая частота тока

с^-1. (7.12)

Реактивное сопротивление рассеяния статора в относительных единицах

Х_1*=. (7.13)

Коэффициент, связывающий параметры машины в Т и Г-образной схемах замещения

. (7.13)

Реактивное сопротивление рассеяния фазы статора

Ом. (7.14)

Активное сопротивление фазы статора

Ом. (7.15)

Реактивное сопротивление рассеяния фазы ротора

Ом. (7.16)

Активное сопротивление фазы ротора

Ом. (7.17)

После получения всех необходимых величин, вводим в программе Mathcad эти данные и строим по ним естественную механическую характеристику, которая представлена на рисунке 7.3.

Рисунок 7.3 - Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя

После получения естественной механической построим искусственные механические характеристики асинхронного двигателя 5А280В2 для разных частот вращения. Как уже было сказано выше, двигатель будет управляться преобразователем частоты по закону U/f=const. При таком законе управления искусственные характеристики асинхронного двигателя проходят параллельно и ниже естественной при более низких частотах. Но критический момент при уменьшении частоты незначительно уменьшается. Это связано с тем, что при малых частотах, когда относительное падение напряжения на активном сопротивлении статора становится значимым, и поток двигателя уменьшается [12]. Чтобы этого избежать, необходимо уменьшать напряжение в меньшей степени, чем частоту. Такой способ регулирования напряжения называют IR-компенсацией. Величина IR зависит от активного сопротивления фазы статора, а так как для двигателей большой мощности (свыше 1000 кВт) эта величина очень малая, то изменением критического момента можно пренебрегать. Строить характеристики будем в программе AutoCad. Так как мы имеем естественную характеристику, то нам достаточно построить параллельные ей искусственные для скоростей ниже номинальной.

Характеристики асинхронного двигателя 5АН280В2 для разных частот приведены на рисунке 7.4 и чертеже 6.

Рисунок 7.4 - Семейство механических характеристик асинхронного двигателя 5АН280В2 при законе управления U/f=const

8. Выбор преобразователя частоты и его описание

Для двигателя 5АН280В2 необходимо подобрать преобразователь, который удовлетворяет следующим требованиям:

управление двумя асинхронными трехфазными двигателями. (постоянно рабочий один);

а) должен соответствовать мощности электродвигателя;

б) скалярный принцип управления электродвигателями;

в) управление по закону U/f=const;

г) подключение датчика давления;

д) встроенный ПИД-регулятор.

В преобразователь частоты должны быть заложены функции управления двигателями с нагрузкой квадратичного типа, то есть с зависимостью момента сопротивления от скорости вращения. Так как такие частотные преобразователи изготавливаются путем упрощения выполняемых функций и программного обеспечения, что ведет к существенному удешевлению электропривода.

Вышеперечисленным требованиям удовлетворяют преобразователи частоты серии EI-P7002 компании «Веспер», которые являются специализированными насосными преобразователями частоты для работы в составе приводов центробежных насосов и вентиляторов [13].

Частотные преобразователи серии EI-P7002 предназначены для управления трехфазными асинхронными двигателями с нагрузкой только насосного типа - с квадратичной зависимостью нагрузочного момента от скорости вращения [13].

Частотные преобразователи EI-P7002 изготовлены путем упрощения выполняемых функций и упрощения программного обеспечения, а именно: отсутствует возможность динамического торможения, управление электродвигателями на скоростях выше номинальной невозможно (максимальная частота 50Гц), то есть управление осуществляется в одной зоне.

Диапазон мощностей регулируемых электродвигателей составляет от 15 до 315 кВт. Для выбора преобразователя конкретной мощности воспользуемся спецификацией [13], которая представлена в таблице 8.1.

Таблица 8.1 - Спецификации преобразователей частоты серии EI-P7002

Модель EI-Р7002 -

050Н

060Н

075Н

100Н

125Н

150Н

175Н

200Н

250Н

300Н

400Н

Максимальная мощность применяемого электродвигателя, кВт

37

45

55

75

93

110

132

160

185

220

315

Полная мощность преобразователя, кВА

50

60

75

100

125

150

175

200

250

300

400

Номинальный выходной ток, А

71

88

108

145

175

210

250

296

330

450

605

Максимальное выходное напряжение

Трехфазное 380 В

Номинальная выходная частота

50 Гц

Номинальное входное напряжение и частота

Трехфазное 380 В 50 Гц

Допустимые отклонения напряжения

+ 10 %, - 15 %

Допустимые отклонения частоты

± 5 %

Метод управления

Синусоидальная широтно-импульсная модуляция

Диапазон управления по частоте

От 1,3 до 50 Гц

Разрешающая способность по частоте

Устанавливается уставкой константы в цифровой форме: 0,1 Гц

Устанавливается в аналоговой форме: 0,1 Гц

Разрешение по выходной частоте

0,1 Гц

Запас по перегрузке

110 % от номинального выходного тока 1 минуту

Сигнал задания частоты

0 … 10 В, 4 … 20 мА

Время разгона/торможения

От 0,1 с до 3600 с (независимая установка времен разгона/торможения, возможны 4 ступени)

Защита электродвигателя от перегрузки

Защищен с помощью электронного термического реле перегрузки

Мгновенная перегрузка по току

Напряжение мгновенно снимается с электродвигателя, примерно, при 180 % от номинального тока преобразователя

Защита плавким предохранителем

При нарушении силового предохранителя электродвигатель отключается

Перегрузка

Электродвигатель отключается через 1 мин вращения при 120 % от номинального тока преобразователя

Перенапряжение

Электродвигатель отключается, если напряжение на шине постоянного тока превышает 820 В

Недостаточное напряжение

Электродвигатель отключается, если напряжение на шине постоянного тока ? 380 В

Кратковременное отключение питания

Немедленное отключение электродвигателя при кратковременном отключении напряжения питания на 15 мс (заводское значение) и более. Предусмотрена возможность продолжения управления двигателем после восстановления напряжения питания в течение времени не более 2 с.

Перегрев радиатора-теплоотвода

Защищен терморезистором

Предотвращение срыва

Предотвращение срыва во время разгона/торможения и вращения с постоянной скоростью

Защита от токов утечек

Защита электронной цепью (контроль баланса выходных токов)

Продолжение Таблицы 8.2 - Спецификации преобразователей частоты серии EI-P7002

Световой индикатор заряд	Световой индикатор «Заряд» горит, пока напряжение на шине постоянного тока ? 50 В
Температура окружающей среды	- 10 °С … + 40 °С (в пластмассовом корпусе); - 10 °С … + 45 °С (в металлическом корпусе)
Влажность	Относительная влажность не более 90 %
Температура хранения	От - 20 °С до + 60 °С
Размещение	Внутри помещения, защищенного от коррозионных газов и пыли
Высотность	Не более 1000 м
Вибрация	От 9,81 м/с2 (1g) при менее, чем 20 Гц; до 1,96 м/с2 (0,2g) от 20 до 50 Гц
Материал корпуса	Пластмассовый (до37 кВт) Металлический ( от 45 до 315 кВт)

Мощность используемого в проекте электродвигателя составляет Р=200 кВт, а номинальный потребляемый ток I1н=382 А. Из этих параметров следует, что необходимый нам преобразователь - EI-P7002-300H, он может осуществлять управление электродвигателем мощностью до Р=220 кВт, и с номинальным током до I1н=450 А.

Конструкция преобразователя частоты предназначена для навесного настенного открытого монтажа. При необходимости заключения корпуса преобразователя в шкаф (внешнюю оболочку) необходимо выбирать размеры шкафа, достаточные для отвода выделяющегося тепла, либо обеспечить внутри оболочки принудительную приточно-вытяжную вентиляцию (более подробно монтаж преобразователя частоты будет рассмотрен ниже).

Интерфейсные входы и выходы, которые представлены на рисунке 8.1, позволяют осуществлять управление дискретными сигналами по 6 входам, задание частоты стандартным аналоговым сигналом (0…10 В или 4…20 мА). Контроль работы преобразователя и электродвигателя осуществляется 2 дискретными и 1 аналоговым (сигнал 0…10 В) выходами. А программирование и контроль работы преобразователя осуществляется на встроенном пульте управления с жидкокристаллическим дисплеем, с возможностью его выноса на максимальное расстояние до 10 метров.



Рисунок 8.1 - Интерфейсные входы и выходы преобразователя частоты EI-P7002-300H

8.1 Программные функции преобразователя частоты EI-P7002-300H

Преобразователь частоты позволяет реализовать различные функции при управление электродвигателем, а именно:

а) Поиск скорости - может применяться с инерционной нагрузкой, такой как вентиляторы, центробежные насосы. Функция позволяет осуществлять повторный пуск вращающегося по инерции электродвигателя без его останова. Она позволяет плавно запустить вращающийся электродвигатель без его остановки при помощи частотного преобразователя. Устанавливается функция поиска скорости (от максимальной выходной частоты или от заданной частоты) в одном из многофункциональных дискретных входов (S2…S6).

б) Ограничение момента - используется для вентиляторов с тяжелым пуском. Выполняет задачи защиты механизма, улучшения непрерывности и надежности управления, и ограничения момента. Преобразователь останавливает или снижает скорость электродвигателя для достижения заданного уровня момента. Для насосов или вентиляторов выходная частота может автоматически уменьшаться для балансирования нагрузки, в соответствии с условиями перегрузки, а также для предотвращения останова по перегрузке.

в) Верхнее/нижнее ограничение частоты - применяется для насосов и вентиляторов, когда это необходимо. Служит для ограничения минимальной и максимальной скорости электродвигателя. Иллюстрация ограничений скорости представлена на рисунке 8.2.

Рисунок 8.2 - Минимальное и максимальное ограничение опорной частоты.

г) Задание ограничений производится константами СД030 и СД031. Когда задание частоты равно нулю, производится разгон электродвигателя до нижнего ограничения опорной частоты. Однако, если установленное нижнее ограничение частоты ниже минимальной выходной частоты (задается константой СД017), вращение не выполняется.

д) Отображение скорости - служит для отображения скорости электродвигателя (об/мин) или скорости машины под нагрузкой (об/мин).

е) Сигнал согласования задания по частоте. Служит для замыкания контакта при достижении частоты преобразователя заданной при разгоне или торможении.

ж) Сигнал превышения момента - служит для индикации превышения момента. Сигнал появляется, когда достигнута заданная перегрузка по моменту.

з) Аналоговый входной сигнал - служит для контроля параметров электрического привода. Может быть подключен частотометр, амперметр, вольтметр, ваттметр и др.

8.2 Монтаж и подключение преобразователя частоты EI-P7002-300H

В данном проекте необходимо установить преобразователь, габаритные размеры которого представлены на чертеже 4, в металлический шкаф управления. Для этого необходимо соблюдать правила установки, расстояние от стенок преобразователя до внутренних стенок шкафа. Вся необходимая информация по монтажу представлена в технической документации.

Первое условие - преобразователь должен быть установлен в металлический шкаф с независимой вентиляцией. Расстояние до внутренних стенок шкафа должно составлять не менее 120 мм снизу и сверху, и не менее 50 мм справа и слева, что представлено на рисунке 8.3.

Рисунок 8.3 - Правила установки преобразователя частоты EI-P7002-300H в металлическом шкафу

Также при установке преобразователя в шкаф, необходимо учитывать способность отвода тепла из шкафа наружу. Для этого необходимо оснастить его собственной приточной и вытяжной вентиляцией. Вентиляция должна быть оборудована пылевыми фильтрами для препятствия проникновения во внутрь шкафа пыли и мелких частиц разного материала. Так как система управления устанавливается в угольной котельной, где присутствуют угольные конвейеры, это становится особенно актуальным. Примерная схема установки вентиляторов на металлический шкаф представлена на рисунке 8.4.

Рисунок 8.4 - Примерная схема установки вентиляторов вентиляции в металлический шкаф.

Чтобы подключить преобразователь к сети, необходимо знать назначение всех клемм, то есть нужно иметь схему подключений, которая представлена на рисунке 8.5, а также знать, какое дополнительное оборудование (предохранители, автоматические выключатели и т.д.) должно устанавливаться на входные цепи.



Рисунок 8.5 - Схема подключений преобразователя частоты EI-P7002-300H.

Для подключения преобразователя к сети во входную цепь устанавливается автоматический выключатель для защиты цепей.

Фазные проводники питающей сети могут быть подсоединены к клеммам преобразователя в любой последовательности.

К преобразователю также необходимо подключать реактор постоянного тока для сглаживания пиковых значений тока, чтобы исключить возможность выхода преобразователя из строя. Но такие реакторы ставятся только когда выполняются два условия - преобразователь имеет мощность 15 кВт и менее и подключается он к трансформатору источника питания большой мощности - 600кВА и более. Так как преобразователь EI-P7002-300H имеет мощность 220 кВт, и подключается он к трансформатору источника питания мощностью 1000 кВА, то реактор не требуется.

В преобразователе частоты также заложена функция защиты от перегрузок, но она используется, когда подключается один электродвигатель, для того чтобы защитить оба электродвигателя, необходимо установить реле термической перегрузки на оба электродвигателя. При этом константа программирования СД033 должна быть равно нулю.

насосная станция электродвигатель

9. Программирование пульта управления преобразователя частоты

Прежде чем начать программирование пульта управления необходимо определиться с режимом управления, задаться необходимыми параметрами для ввода определенных констант. Некоторые константы можно подобрать только опытным путем. Изображение пульта управления с описанием функций его кнопок представлено на чертеже 5.