Главная База знаний "Allbest" Физика и энергетика Электропривод и система автоматического управления насосной установки

Электропривод и система автоматического управления насосной установки

Проектирование автоматизированного электропривода насосной установки системы горячего водоснабжения. Анализ технологического процесса и работы оператора. Расчетная схема механической части электропривода. Выбор систем электропривода и автоматизации.

Рубрика Физика и энергетика
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 16.05.2012
Размер файла 1,4 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Индуктивное пусковое сопротивление короткого замыкания:

= 3,65 Ом. (4.7)

Индуктивные сопротивления фаз статора и ротора [3, табл.3], Ом:

Х1 = 0,864; Х'2 = 2,087. (4.8)

Критическое скольжение: sк = 12%.

Приведенное активное сопротивление фазы ротора, Ом: R'2 = 0,417.

Активное сопротивление фазы статора, Ом: R1 = 0,686.

Критический момент:

= 53,95 Нм. (4.9)

Ток холостого хода:

= 5,024 А. (4.10)

Приведенный ток ротора описывается уравнением:

. (4.11)

Потери на намагничивание:

Рст =0,02 * Рном / ном = 171,429 Вт. (4.12)

Активное сопротивление ветви намагничивания:

= 2,264 Ом. (4.13)

Индуктивное сопротивление ветви намагничивания: Х = 55,149 Ом.

Электромагнитная постоянная времени электродвигателя:

с. (4.14)

Для скорости двигателя в пределах от 0 до ном с некоторым шагом проводим следующие расчеты:

определяем абсолютное скольжение:

sa = 1 - / он; (4.15)

определяем момент двигателя, Нм:

. (4.16)

Расчет естественной механической характеристики, согласно формулам 4.15 и 4.16 производим на ЭВМ в пакете EXCEL'97. Полученная в итоге механическая характеристика приведена на рис.4.4.

4.3 Проверка выбранного электродвигателя по перегрузочной способности и перегреву

Как было указано выше, проектируемая установка работает в длительном режиме, поэтому для проверки двигателя достаточно проверить три точки при относительной скорости * = /н, равной 0,5; 0,75; 1, с учетом ухудшений условий охлаждения при пуске двигателя. График зависимости коэффициента ухудшения условий охлаждения от скорости двигателя показан на рис.4.5.

Рассчитаем величины необходимые для проверки двигателя по перегрузочной способности и по нагреву.

Определим синхронную частоту вращения двигателя:

0=n0/30=3,143000/30=314 рад/с (4.17)

Определим номинальную частоту вращения двигателя:

н= 0 (1-sн) =314 (1-0,026) = 305,836 рад/с

Определим номинальный момент двигателя:

Мн = Рн / н = 7500/305,836 = 24,523 Нм (4.18)

Момент насоса для любой относительной скорости * можно определить как [1, стр.266]:

Мнас = М0 + 0,9Мн*2, (4.19)

где М0 - момент определяемый силами трения в механизме, принимаем равным 5% от номинального момента насоса, Мн - номинальный момент насоса, определяем как Мнас = Рнас / нас = 6500/303,53 = 21,41; где Рнас и нас - соответственно номинальные мощность и частота вращения насоса.

Расчетный момент двигателя определяем с учетом ухудшения условий охлаждения при пуске двигателя, для учета ухудшения условий охлаждения введем коэффициент ку, значения которого принимаем согласно рис.4.5.

Таким образом, формула для расчетного момента двигателя будет иметь вид:

Мрасч = ку Мнас (4.20)

Исходя из вышеизложенных соображений для первого случая (*=1) имеем:

Мнас = 0,0521,41 + 0,9521,411 = 21,41 Нм,

Мрасч = 21,411 = 21,41 Нм.

Для второго случая (*=0,75) получаем:

Мнас = 0,0521,41 + 0,9521,410,752 = 12,51 Нм,

Мрасч = 12,511,25 = 15,64 Нм.

Для третьего случая (*=0,5) получим:

Мнас = 0,0521,41 + 0,9521,410,52 = 6,16 Нм,

Мрасч = 6,161,5 = 9,23 Нм.

Так как для всех трех случаев расчетный момент двигателя с учетом ухудшения охлаждения, меньше чем номинальный момент двигателя (Мрасч < Мн), то, следовательно, двигатель удовлетворяет и условиям перегрузки, и условиям перегрева.

5. Расчет и проектирование силовой схемы автоматизированного электропривода

Для питания электродвигателей привода насосов, которые предварительно выбраны в п.2.7.2 и проверены по нагреву и перегрузке в п.4.3 мы будем использовать преобразователь частоты типа РЭН (ЯВИЕ.435321.001) производства Новополоцкого завода "Измеритель".

Данный преобразователь предназначен для частотного управления асинхронными трехфазными электродвигателями мощностью до 30 кВт.

Область применения преобразователя: насосные станции водо - и теплоснабжения в жилищно-коммунальном хозяйстве, энергетике, технологические насосные установки в химической промышленности, станции оборотного водоснабжения на предприятиях машиностроительной и других отраслей промышленности.

Примерная упрощенная схема силовых цепей этого преобразователя показана на рис.5.1 Все элементы данной схемы рассчитаны и поставляются в составе преобразователя.

Основные параметры преобразователя частоты типа РЭН:

номинальное напряжение питающей сети 338010% В, 501% Гц;

номинальное напряжение питания приводного двигателя 3380 В, 50 Гц;

номинальная мощность приводного двигателя - не более 7,5, 11, 15, 22, 30 кВт, в зависимости от конструктивного исполнения преобразователя (принимаем преобразователь РЭН-2-02-УХЛ4, рассчитанный на мощность приводного двигателя до 7,5 кВт);

диапазон регулирования частоты от 2,5 до 50 Гц;

форма выходного напряжения - импульсная, модулированная по гармоническому закону, обеспечивает квазисинусоидальную форму тока во всем диапазоне регулирования выходной частоты;

коэффициент полезного действия преобразователя в номинальном режиме - не менее 0,9;

коэффициент мощности преобразователя - не менее 0,95;

преобразователь частоты предназначен для работы в закрытых отапливаемых помещениях в районах с умеренным климатом, климатическое исполнение УХЛ, категория размещения 4 ГОСТ 15150;

окружающая среда невзрывоопасная, не содержащая агрессивных паров и газов в концентрациях, разрушающих металлы и изоляцию, не насыщенная токопроводящей пылью;

температура окружающей среды - 0…+40С, относительная влажность воздуха - до 100%;

степень защиты шкафа IP54.

Преобразователь частоты обеспечивает:

плавный запуск электродвигателя с заданным темпом;

плавный самозапуск с тем же темпом после восстановления питающего напряжения;

регулирование (в соответствии с задающим сигналом), например, давления, развиваемого насосом в замкнутой системе регулирования давления;

работу в нерегулируемом режиме с ручным заданием частоты напряжения питания электродвигателя;

защиту электродвигателя и преобразователя от токов перегрузки и короткого замыкания;

защиту электродвигателя от недопустимого снижения и превышения напряжения питающей сети;

выработку сигналов для подключения к системе нерегулируемого электродвигателя резервного насоса и отключения его по мере необходимости;

преобразователь имеет световую сигнализацию наличия напряжения питания и включенного состояния, индикацию частоты питания электродвигателя, срабатывания каналов защиты.

Преобразователь частоты может работать в следующих режимах:

Режим ручного управления с заданием частоты выходного напряжения от пульта управления: частота задается перед подключением преобразователя к нагрузке (электродвигателю); при работе ПЧ разгоняется до заданной частоты и работает на ней сколь угодно долго, в этом режиме сигнал от датчика внешней технологической координаты не влияет на работу электропривода, при включении привода в замкнутый контур регулирования по внешнему технологическому параметру этот режим работы электропривода может использоваться как отладочный.

Режим автоматического регулирования частоты выходного напряжения по сигналу от датчика внешней технологической координаты: частота выходного напряжения выбирается автоматически, в зависимости от текущей величины сигнала, поступающего в систему управления от датчика внешнего технологического параметра (датчика давления).

Сглаживающий дроссель L1 выбираем из расчета того, что его индуктивность должна быть как можно больше, а падение фазного напряжения на нем не должно превышать 3%. Тогда, входную мощность преобразователя определим как:

Рвх = Рэд / (эд пр), (5.1)

где Рэд - мощность приводного двигателя; эд - КПД приводного двигателя; пр - КПД преобразователя.

С учетом параметров выбранных электродвигателя и преобразователя после расчетов по формуле 5.1 получаем: Рвх = 7,5/ (0,8750,9) = 9,524 кВт.

Можно определить входной ток фазы преобразователя:

Iвх = Рвх / (3кмUфн), (5.2)

где км - коэффициент мощности преобразователя; Uфн - номинальное фазное напряжение сети.

После расчетов по формуле 5.2 получим: Iвх= 9524/ (30,95220) = 15,2 А.

Задавшись допустимым падением фазного напряжения на дросселе 3% от номинального, можно найти реактивное сопротивление дросселя:

Х = Uдоп / Iвх. (5.3)

Произведя расчет по формуле 5.3 получаем: Х=2203%/15,2 = 0,434 Ом.

Зная индуктивное сопротивление легко найти индуктивность дросселя:

L = Х / 2, (5.4)

где - частота питающего напряжения.

Таким образом, в соответствии с формулой 5.4 получаем: L = 0,434/314 = 0,00138 Гн.

Исходя из приведенных выше расчетов, предполагаем изготовить на заказ сглаживающий дроссель L1 со следующими параметрами:

индуктивность катушки - L = 1,38 мГн;

допустимая мощность рассеяния - Р = 2%Рвх = 190 Вт.

Сглаживающий дроссель L2 должен иметь индуктивность, согласно документации на преобразователь [4], приблизительно равную индуктивности статора двигателя. Причем допустимая мощность рассеяния дросселя L2 не должна превышать 2% от номинальной мощности двигателя. Таким образом, предполагаем изготовить на заказ сглаживающий дроссель L2 со следующими параметрами:

индуктивность катушки - L = 2 мГн;

допустимая мощность рассеяния - Р = 2%Рэд = 150 Вт.

На основании сформулированных требований к электроприводу и системе автоматизации, а также выбранной системы электропривода можно заметить, что существует необходимость работы насосной установки в ручном и автоматическом режиме с периодической сменой резервного насоса и подключением, в случае необходимости, дополнительного насоса. С учетом указанных выше переключений можно составить принципиальную схему силовых цепей насосной установки. Разработанная принципиальная схема силовых цепей приведена на рис.5.2.

Схема, приведенная на рис.5.2 работает следующим образом. Приводные электродвигатели М1 и М2 через силовые контакты контакторов КМ1 и КМ3 подключены через сглаживающий дроссель L2 к выходу преобразователя частоты (клеммы U, V, W разъема ХТ1 ПЧ), а силовые контакты контакторов КМ2 и КМ4 подключают двигатели М1 и М2 напрямую к сети 380 В 50 Гц. Защита двигателей от перегрузок осуществляется тепловыми реле FR1 и FR2. Преобразователь подключен к сети через сглаживающий дроссель L1 (клеммы А, В, С разъема ХТ1 ПЧ).

Управление контакторами КМ1-КМ4 осуществляется при помощи релейно-контактной схемы. Переключатель SA1 задает режим работы установки (ручное управление/автоматический).

При нахождении переключателя SA1 в положении "Авт." установка работает в автоматическом режиме, при этом управление контакторами КМ1-КМ4 осуществляется контактами реле К1-К4, которые управляются программируемым контроллером. В зависимости от команды с контроллера (т.е. от положения ключей К1-К4) возможна периодическая замена основного рабочего двигателя и резервного двигателя, а также запуск, при необходимости, резервного двигателя от сети. Приводные двигатели могут работать в следующем порядке:

М1 - основной (подключен к преобразователю), М2 - резерв (выключен);

М1 - основной (подключен к преобразователю), М2 - резерв (подключен к сети напрямую);

М2 - основной (подключен к преобразователю), М1 - резерв (выключен);

М2 - основной (подключен к преобразователю), М1 - резерв (подключен к сети напрямую).

Если контакт К1 замкнут (К2, К3 и К4 - разомкнуты), то двигатель М1 получает питание от преобразователя через контактор КМ1 (работает замкнутая система регулирования). При увеличении расхода в сети до такой степени, что один насос не в состоянии поддерживать необходимый напор, система работает следующим образом (предполагается, что работал двигатель М1): двигатель М1, управляемый системой автоматического регулирования разгоняется до максимума, затем контроллер выдает сигнал на переключение приводов, контакт К1 размыкается, замыкается контакт К2 (включается контактор КМ2) и двигатель М1 начинает работать от сети на номинальной скорости, далее замыкается контакт К3 и двигатель М2 начинает работать от преобразователя частоты (через контактор КМ3). При уменьшении расхода в сети до нормального уровня, размыкается контакт К2, и двигатель М1 отключается от сети (размыкается контактор КМ2), а двигатель М2 продолжает работу от преобразователя (под управлением САР), т.е. происходит смена основного (рабочего) и резервного насоса. Такая последовательность действий необходима для уменьшения динамического удара в водопроводной сети.

Контакторы КМ1 и КМ2, а также КМ3 и КМ4 имеют взаимную блокировку чтобы исключить возможность их одновременного включения, так как в противном случае получится, что на выход преобразователя подается напряжение сети, что недопустимо. Также предусмотрена блокировка от одновременного подключения электродвигателей М1 и М2 к выходу преобразователя, она осуществляется вспомогательными контактами контакторов КМ1 и КМ3.

Если переключатель SA1 находится в положении "Ручн.", то установка работает в режиме ручного управления. При этом пуск и остановка двигателя М1 осуществляются кнопками SB2 и SB1 соответственно, а двигателя М2 - SB4 и SB3. В режиме ручного управления возможно два режима работы системы, выбираемые положением переключателя SA2:

двигатель получает питание от преобразователя частоты, а регулирование скорости двигателя (частоты преобразователя) осуществляется вручную с пульта управления преобразователем (SA2 находится в положении "Рег. ");

двигатель напрямую подключен к сети, скорость двигателя не регулируется (SA2 находится в положении "Нерег. ").

Исходя из принципиальной схемы силовых цепей (рис.5.2.), учитывая ранее выбранные комплектующие (двигатель и преобразователь), приступим к выбору элементов силовых цепей.

Для осуществления переключений в силовых цепях выбираем контакторы серии КТ64 с бездуговой коммутацией, со следующими техническим данными:

номинальное напряжение главной цепи 380 В 50 Гц;

номинальный ток главной цепи 100 А;

количество контактов главной цепи - 3 замыкающих;

количество вспомогательных контактов - 2 размыкающих, 2 замыкающих;

номинальное напряжение цепи управления 220 В 50 Гц.

Для защиты двигателей от перегрузки выбираем двухполюсные тепловые реле серии РТЛ с номинальным током цепи управления 16 А, номинальным напряжением цепи управления 380 В 50 Гц., с пределом регулирования уставок (0,16-1) Iном.

Для осуществления коммутаций в схеме управления выбираем пакетные переключатели типа ПВМ-1 на ток 6,3 А, напряжение 380 В, и кнопки типа КЕ-202 (замыкающая) и КЕ-203 (размыкающая).

6. Расчет основных параметров и проектирование системы управления электроприводом

6.1 Функциональная схема электропривода

На основании принятых ранее решений о системе электропривода и реализации ее автоматизации можно составить функциональную схему электропривода, представленную на рис.6.1.

Система автоматического управления электроприводом состоит из объекта управления и регулятора. Под объектом управления мы понимаем совокупность электродвигателя, преобразователя энергии, питающего двигатель, и рабочего органа, т.е. в данном случае центробежного насоса, соединенного с валом двигателя через муфту. Задача по расчету автоматической системы управления данным электроприводом выборе, расчете и реализации регулятора. Регулируемая величина в данном случае одна - напор жидкости в сети. Регулятор реализован в комплектном преобразователе, выбранном нами для питания двигателя, нам остается только рассчитать и задать параметры и тип регулятора.

6.2 Математическое описание установки

Уравнения электропривода для случая механической передачи момента от двигателя к рабочему органу через муфту имеют вид:

М - Мс = Jс d/dt (6.1)

где Jс - суммарный момент инерции электропривода, кг/м2, принимаем равным 1,6 момента инерции двигателя; М, Мс - соответственно моменты двигателя и сопротивления, Нм; - угловая скорость вала двигателя, рад/с.

Рассмотрим насосную установку горячего водоснабжения соединенную с сетью без статического напора как объект регулирования напора жидкости.

Напор жидкости в сети определяется уравнением:

Нс = RQ2 (6.2)

где Нс - напор в сети; R - сопротивление в сети (функция расхода жидкости); Q - расход жидкости.

Напор, сообщаемый насосом в сеть определим как:

Нн = Н0*2 - СQ2 (6.3)

где Н0 - напор при закрытой задвижке; * - относительная скорость вращения вала насоса; С - коэффициент; Q - расход жидкости.

Регулируемой величиной в сети является напор, который изменяют путем увеличения подачи насоса. Водопроводную сеть без статического напора можно представить в виде апериодического звена с коэффициентом передачи равным обратному значению сопротивления сети и сравнительно большой постоянной времени (около 0,5с). Следовательно, входной величиной рассматриваемого звена (объекта) будет являться напор в сети, а выходной - подача насоса в сеть.

6.3 Разработка структурной схемы и расчет ее параметров

6.3.1 Структурная схема системы стабилизации напора

Воспользовавшись математическим описанием технологического объекта можно структурную схему системы стабилизации напора, представленную на рис.6.2.

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

Данная структурная схема отражает математическое описание объекта управления (насоса, включенного в водопроводную сеть без статической составляющей напора). Зависимость Нн (Q2; ) имеет вид формулы 6.3, а зависимость М (Q; ) определена при расчете нагрузочных диаграмм (см. формулу 4.3). Постоянную времени сети Тс принимаем равной 0,5 с [1]. Апериодическое звено с постоянной времени Т0 моделирует перепады давления из-за неравномерности выброса воды насосом, принимаем постоянную времени Т0 = 0,01 с. коэффициент обратной связи по напору Кос определим как:

Кос = Uз max / Нmax, (6.4)

где Нmax - максимальный напор в сети (25 м); Uз max - максимальное напряжение задания, принимаем равным 10 В.

Таким образом, Кос = 10/25 = 0,4 м/В.

6.3.2 Структурная схема системы управления электроприводом

В соответствии с основным уравнением электропривода (ф-ла 6.1) и разработанной функциональной схемой электропривода (см. рис.6.1.) составим структурную схему системы управления электроприводом. Разработанная структурная схема представлена на рис.6.3.

Данная структурная схема отражает математическое описание системы управления электроприводом, построенной по принципу ПЧ-АД.

Задатчик интенсивности ЗИ, представляет собой апериодическое звено с достаточно большой постоянной времени зи. Постоянную времени зи из технологических соображений (чтобы уменьшить гидравлические удары в сети) принимаем равной 10 с [1]. Функциональный преобразователь ФП преобразует задание относительной частоты в напряжение питания U, используя заданную форму кривой разгона. Определим форму кривой разгона, исходя из постоянства перегрузочной способности во всем диапазоне регулирования. Зададимся перегрузочной способностью. Примем перегрузочную способность 2,2. Построим совмещенный график естественной механической характеристики двигателя и механической характеристики насоса без учета перегрузочной способности и с учетом ее. Данный график изображен на рис.6.4.

По графику (рис.6.4) выбираем три точки на механической характеристике насоса с учетом перегрузочной способности, по которым будем аппроксимировать эту кривую прямыми. Для данных точек находим М и . Так как систему управления электроприводом, реализованная в комплектном преобразователе обеспечивает программное формирование зависимости U (), то при постоянной частоте, и, следовательно, постоянном напряжении, механические характеристики можно аппроксимировать прямыми линиями. Жесткость характеристик в таком случае найдем по естественной характеристике:

= Мном / (0н sн) = 24,523/ (3140,026) = 3, (6.5)

где Мном - номинальный момент двигателя, 0н - синхронная частота вращения, sн - номинальное скольжение. Зная момент и скорость для выбранных точек, используя рассчитанную жесткость характеристик найдем синхронную частоту для характеристики двигателя, проходящей через выбранную точку:

0 = + М / , (6.6)

где и М - скорость и момент по графику (рис.6.4.).

Для выбранных точек, рассчитаем напряжение питания двигателя соответствующее найденным скоростям и моментам. Напряжение питания определим по формуле:

, (6.7)

где Мк - момент, соответствующий выбранной точке, - частота питающего напряжения, которую можно определить как:

= 0/0н, (6.8)

где 0 - синхронная частота, соответствующая характеристике двигателя, проходящей через выбранную точку, 0н - номинальная синхронная частота двигателя.

Данные, определенные из графика (координаты выбранных точек), а также рассчитанные по формулам 6.4 6.8 сведем в таблицу 6.1.

Таблица 6.1.

Расчетные данные для аппроксимации кривой разгона.

№ точки

, рад/с

М, Нм

0, рад/с

, о. е.

Uф, В

1

94,2

6,66

96,42

0,307

29,26

2

204,1

22,59

211,63

0,674

101,62

3

305,836

47,78

314

1

220

Построенная в соответствии с таблицей 6.1 кривая разгона и ее аппроксимация изображены на рис.6.5 Из рисунка видно, что кривая разгона имеет форму параболы, т.е. имеет место квадратичная зависимость U (). Такой закон управления позволяет уменьшить потери в статоре двигателя, что ведет к снижению общего расхода энергии. Аппроксимированная кривая начинается не из точки с координатами 0; 0, чтобы увеличить пусковое напряжение, и, следовательно, иметь больший пусковой момент.

Блок М (U, , ) производит вычисление момента двигателя и сопутствующих величин (момента критического и критического скольжения) в зависимости от напряжения питания двигателя, частоты питающего напряжения и скорости двигателя. Вычисление момента производится по формуле Клосса (ф-ла 6.9), вычисление момента критического по формуле 6.10, вычисление критического скольжения - по формуле 6.11.

, (6.9)

, (6.10)

, (6.11)

где 0 - синхронная частота, определяемая как 0 = 0н, - относительная частота, а - коэффициент, определяемый как а = R1/R'2.

Апериодическое звено с постоянной времени Тэ учитывает электромагнитные свойства двигателя, величина Тэ определена в п.4.2 (см. формулу 4.14) и равна 0,122 с.

6.3.3 Линеаризация структурной схемы и настройка регулятора

На основании структурных схем системы стабилизации напора (рис.6.2.) и системы управления электроприводом (рис.6.3.) можно составить общую упрощенную структурную схему электропривода, представленную на рис.6.6.

Коэффициент передачи кнас определим как:

кнас = Нн / н = 20/303,53 = 0,0659, (6.12)

где Нн - номинальный напор в сети, н - номинальная скорость насоса.

Коэффициент обратной связи по напору кос был определен в п.6.3.1 по формуле 6.4 и равен 0,4 м/В.

Передаточная функция электропривода Wэп исходя из структурной схемы СУЭП может быть представлена в виде:

, (6.13)

где и - постоянная времени задатчика интенсивности, кэп = max/Uз max = 30,6.

Действительно, электромагнитная постоянная времени двигателя Тэ, равная 0,122 с, пренебрежимо мала по сравнению с постоянной времени задатчика интенсивности и, которая принята равной 10 с. Следовательно, пренебрегая электромагнитной постоянной времени двигателя Тэ, получаем что структурная схема системы управления электроприводом содержит одно апериодическое звено - задатчик интенсивности, а его постоянная времени определяет инерционные свойства системы управления электроприводом.

Постоянная же времени сети Т0, также весьма мала по сравнению с и (принята равной 0,005 с), следовательно ей можно пренебречь. Таким образом получаем контур регулирования содержащий одно апериодическое звено, с постоянной времени, равной постоянной времени задатчика интенсивности и.

Стандартным регулятором для полученного контура регулирования является И-регулятор. Настроим его на технический оптимум:

, (6.14)

. (6.15)

Подставив в формулу 6.15 коэффициенты получим WРН = 1/ (2ир). Таким образом регулятор напора представляет собой И-регулятор с постоянной времени ТРН равной двум постоянным времени задатчика интенсивности и, т.е. ТРН = 20 с.

6.4 Построение статических характеристик

Семейство механических характеристик для частотного управления асинхронным двигателем по закону U ~ 2 построим при помощи формулы Клосса, имеющей вид 6.9, при этом рассчитывая необходимые критические момент и скольжение по формулам 6.10 и 6.11. Формула Клосса для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором справедлива только для скольжений не больше критического, но с учетом того, что ниже критического скольжения лежит нерабочая ветвь механической характеристики, построим характеристики начиная с критического скольжения. Как уже отмечалось, система управления электроприводом реализованная в комплектном преобразователе обеспечивает программное формирование зависимости напряжения питания двигателя от частоты питающего напряжения, поэтому при постоянной частоте, и, следовательно, постоянном напряжении, механические характеристики электропривода могут быть аппроксимированы прямыми линиями. Следовательно, для представления о семействе характеристик вполне достаточно построить три характеристики - естественную и две искусственные, проходящие через точки, указанные в таблице 6.1 (точки излома аппроксимированной кривой излома).

Расчет семейства механических характеристик электропривода, согласно формулам 6.9 6.11 для скольжений не больше критического, производим на ЭВМ в пакете EXEL'97. Полученное в итоге расчета семейство статических характеристик изображено на рис.6.7.

7. Анализ динамических характеристик электропривода насосной установки

Для расчета динамических характеристик САУ электроприводом насосной установки воспользуемся математическим моделированием системы электропривода на ЭВМ в среде SIMULINK 2.0.

Прежде чем приступить к расчетам определим цель моделирования. Главной целью моделирования является прогнозирование динамических характеристик реальной системы насосной установки горячего водоснабжения при свойственных ей внешних воздействиях.

Исходя из поставленной задачи, модель системы, может учитывать или не учитывать некоторые особенности динамики реальной системы. Например, будем рассматривать насосную установку как объект регулирования напора жидкости (без учета внешних воздействий). Выбор входных воздействий и начальных условий зависит от назначения проектируемой системы и наиболее характерных режимов ее работы.

Специфика моделирования систем управления заключается в том, что любая система автоматического управления состоит из динамических звеньев, взаимодействующих друг с другом. К ней могут быть приложены внешние воздействия, изменяющиеся во времени. Следовательно, может быть рассчитан динамический режим любой системы автоматического управления, если имеются средства, моделирующие динамику непрерывных и импульсных, линейных и нелинейных динамических звеньев, а также произвольных входных воздействий.

В соответствии со структурной схемой нашей системы (см. рис.6.2) составлена математическая модель для среды SIMULINK. Схема модели приведена на рис.7.1.

В результате моделирования были получены графики переходных процессов выходного напряжения задатчика интенсивности, регулятора напора; приведенного тока ротора и тока статора двигателя; скорости и момента двигателя; момента статического; напора в водопроводной сети и расхода воды через водопроводную сеть. Данные переходные процессы получены для двух режимов работы установки - при пуске насосной установки и при регулировании напора по изменению потребления воды из водопроводной сети. Полученные в результате моделирования графики переходных процессов представлены на рис.7.2 - рис.7.10.

Анализ графиков переходных процессов (рис.7.2 - рис.7.10) показывает, что разработанный электропривод полностью соответствует сформулированным в разделе 2 требованиям. Время установления заданного давления в системе горячего водоснабжения составляет 10 с.

8. Проектирование системы автоматизации насосной установки

8.1 Выбор принципов и проектирование схемы управления насосной установки

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

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

Выбор принципов управления насосной установкой произведем на основании требований к системе автоматизации (см. п.2.6). В соответствии с данными требованиями была разработана структурная схема автоматизации установки, изображенная на рис.8.1.

Структурная схема включает в себя два насоса (Н1 и Н2), сетевой трубопровод (СТ), преобразователь частоты с коммутационной аппаратурой (ПЧ), программируемый контроллер (ПК) и управляющую ЭВМ центрального диспетчерского пункта (ЭВМ).

На данной структурной схеме произведено разделение потоков информации, а именно: от контроллера к агрегатам насосной установки и обратно. Укажем, какую информацию должен получать контроллер, а какую передавать.

В процессе работы насосной установки необходимо осуществлять контроль следующих параметров:

расхода жидкости через сетевой трубопровод;

напора в сетевом трубопроводе;

температуру жидкости в сетевом трубопроводе.

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

Проанализировав схему силовых цепей насосной установки, приведенную на рис.5.2., можно сделать вывод, что для управления контакторами необходимо четыре дискретных выходных сигнала. Для управления преобразователем необходим один аналоговый выходной сигнал (напряжение задания напора).

Некоторое количество выходных дискретных сигналов необходимо для организации сигнализации режимов работы установки.

Для контроля состояния контакторов необходимо четыре дискретных входа и еще два необходимо для контроля исправности преобразователя и контроля необходимости включения дополнительного насоса. Для опроса датчиков необходимо два аналоговых входа.

8.2 Формализация условий работы установки

В процессе работы насосной установки необходимый напор в системе трубопроводов поддерживается за счет изменения скорости вращения насоса. Величина необходимого напора определяется по текущему расходу воды из сети.

Для определения расхода воды из сети воспользуемся следующим уравнением:

, (8.1)

где Q0 - расход воды, м3/с; - коэффициент расхода о. е.; F0 - площадь отверстия сужающего устройства, м2; - плотность воды в рабочих условиях, кг/м3; Р - перепад давления в сужающем устройстве, Н/м2.

Приведение расхода воды в нормальных условиях Q0 к расходу воды в нормальном состоянии QН выполняется по формуле:

, (8.2)

где QН - расход воды в нормальном состоянии, м3/с; Р - абсолютное давление воды перед сужающим устройством, Н/м2; РН - нормальное абсолютное давление воды, Н/м2; Т - температура воды перед сужающим устройством, К; ТН - температура воды в нормальных условиях, ТН=293 К; К - коэффициент сжимаемости воды.

На основании выражений (8.1) и (8.2) получим следующую формулу для расчета расхода воды в нормальном состоянии:

, (8.3)

где d - диаметр отверстия сужающего устройства, м.

В формуле (8.3) независимыми переменными являются Р, Р и Т. таким образом, выражение (8.3) можно легко упростить:

, (8.4)

где .

В микропроцессорной системе, использующей операции только с целыми числами, измеряемые величины, после аналого-цифрового преобразования представлены в масштабе, определяемом количеством разряда слова данных. Введем следующие обозначения: Р2, Р2, Т2 - двоичные коды, пропорциональные, соответственно, перепаду давления, абсолютному давлению и температуре воды; Р2max, Р2max, Т2max - максимальные значения двоичных кодов целочисленных переменных, пропорциональных, соответственно, перепаду давления, абсолютному давлению и температуре воды; Рmax, Рmax, Тmax - ожидаемые максимальные значения, соответственно, перепада давления, абсолютного давления и температуры воды.

Тогда для независимых переменных Р, Р и Т справедливо следующее соотношение:

Хi = miXi2, (8.5)

где Хi - независимая переменная; mi - масштаб независимой переменной, Xi2 - двоичный код, пропорциональный независимой переменной.

На основании формул (8.4) и (8.5) получим следующее соотношение для учета расхода воды:

. (8.6)

Мгновенное значение расхода воды можно также представить в целочисленном двоичном виде:

QH = mQ QH2, (8.7)

где mQ - масштаб двоичного представления расхода сжатого воздуха.

Тогда в соответствии с (8.6) и (8.7) получим:

, (8.8)

где .

С целью обеспечения расчета по формуле (8.8) при сохранении восьмиразрядного формата данных на всех этапах вычислений, целесообразно принять следующую последовательность выполнения арифметических операций:

1) ;

2) ;

3) ;

4) ;

5) /;

6) К''/.

Вычисления по формуле (8.8) для повышения достоверности вычислений необходимо проводить для усредненных на некотором интервале времени значений давления и температуры. Стандартная процедура усреднения выполняется по формуле:

, (8.9)

где Хi - мгновенное значение усредняемого параметра; N - количество значений, используемых для усреднения. Для вычисления числителя выражения (8.9) необходимо увеличивать разрядность слова данных, поэтому преобразуем его к виду:

, (8.10)

где Х1 - первое значение усредняемого параметра, Хi - отклонение i-го значения параметра от Х1 (Хi = Хi - Х1).

Алгоритм расчета и учета объемного расхода воды, а также определения необходимого для обеспечения вычисленного расхода воды напора в сети, составленный по уравнению (8.8) представлен на рис.8.2. Контроль напора и расхода воды осуществляют при помощи следующих датчиков: абсолютного давления (напор), разности давлений и температуры (расход).

Поскольку, реализация приведенного алгоритма предполагается на контроллере типа МикроДАТ, не реализующем функцию корня квадратного, то вычисление корня квадратного организуем в подпрограмме, используя разложение этой функции в ряд.

Также в подпрограмме организуем вычисление среднего значения величины.

Алгоритмы подпрограмм для вычислений корня квадратного и среднего значения приведены на рис.8.3 и рис.8.4 соответственно.

При составлении схемы алгоритмов, представленных на рис.8.2-8.4 приняты следующие обозначения:

i - счетчик цикла опроса датчиков;

N - количество циклов опроса используемое для расчета средних значений;

Х, Х1, Хср, Х - операнды подпрограммы вычисления среднего значения (Х - очередное значение измеряемого параметра, Х1 - первое в цикле значение измеряемого параметра, Хср - среднее значение измеряемого параметра, Х - суммарное значение отклонений измеряемого параметра от Х1);

b, с, d - суммарные значения отклонений от первого за цикл значения, соответственно, перепада давления, абсолютного давления и температуры;

Р2i, Р2i, Т2i - измеренное значение, соответственно, перепада давления, абсолютного давления и температуры;

Р21, Р21, Т21 - первое в цикле значение измеряемого параметра;

Р2ср, Р2ср, Т2ср - среднее за цикл измерения значение соответствующего параметра;

х, у - операнды подпрограммы вычисления корня квадратного, х - входное значение, у - результат;

у1, у2, у3 - промежуточные значения для вычисления расхода;

Q2ср - среднее за цикл измерения значение объемного расхода воды;

tj+1 - текущее время, соответствующее значению Q2ср;

tj - значение времени, соответствующее последнему зафиксированному значению расхода;

Q2j - последнее зафиксированное значение расхода;

Q2min - значение расхода воды, соответствующее нижнему пределу;

FQ - флаг минимального расхода;

FT - флаг начала суток;

S - счетчик суток.

Если по каким-либо причинам напор в сети не поддерживается на должном уровне, имеется возможность перейти на ручное управление электроприводом насоса, как с регулированием его скорости, так и без регулирования.

На основании анализа условий работы насосной установки можно сформулировать следующие требования, предъявляемые к системе управления:

1. Точное поддержание заданного оптимального напора в сети.

2. Программное управление приводами насосов.

3. Оперативный контроль, учет, отчетность, протоколирование процесса и диагностику работоспособности технических средств АСУ.

4. Использование средств дистанционного контроля и автоматического регулирования параметров сети.

Обобщенный алгоритм работы насосной установки, составленный исходя из требований к системе управления насосной установкой и к системе автоматизации, с учетом разработанной силовой схемы (см. рис.5.1) представлен на рис.8.5 Алгоритм составлен в соответствии с процессом подачи воды потребителям, рассмотренным в разделе 1. При составлении алгоритма используются обозначения принятые на принципиальной схеме.

8.3 Выбор аппаратов

Для автоматизации работы насосной установки системы горячего водоснабжения применим контроллер типа МикроДАТ. Выбор данного контроллера обусловлен низкой ценой, широкой распространенностью данного оборудования в странах СНГ, простотой программирования и наладки, вполне удовлетворительным набором инструкций.

Микроконтроллер ГСП МикроДАТ МБ57.02 предназначен для комплектования отдельных узлов гибких производственных систем, агрегатных станков с количеством входов-выходов до 64.

Состав контроллера определяет потребитель по карте заказа изготовителя из списка изделий, приведенного ниже:

каркас компоновочный МК10.13-02;

источник электропитания МВ91.22;

модуль микропроцессорный МС59.07;

модуль ввода дискретных сигналов постоянного тока МС34.08-01;

модуль ввода дискретных сигналов постоянного тока МС34.08-03;

модуль ввода дискретных сигналов переменного тока МС34.09-01;

модуль ввода дискретных сигналов переменного тока МС34.09-03;

модуль вывода дискретных сигналов постоянного тока МС35.18-01;

модуль вывода дискретных сигналов переменного тока МС35.25-01;

модуль ввода непрерывных сигналов постоянного тока МС34.14-01;

модуль вывода непрерывных сигналов постоянного тока МС32.09-01;

модуль последовательного ввода-вывода МС52.26;

расширитель интерфейса МС99.03-03.

Электрическое питание контроллера осуществляется от однофазной электрической сети с напряжением 220 В, частотой 50 Гц.

Потребляемая мощность - не более 80ВА.

Микроконтроллер содержит резервный источник питания (элемент типа А-316 "Квант" (2шт.)), обеспечивающий сохранение информации в ЭОЗУ при отключении электропитания. Время сохранения информации не менее 140 ч.

В соответствии с разработанным алгоритмом для создания системы автоматики на базе контроллера МикроДАТ выбираем следующие модули:

модуль микропроцессорный МС59.07 предназначен для обработки, хранения информации и управления модулями ввода-вывода, технические характеристики:

объем памяти - 4К инструкций;

время выполнения логических операций - 7 мс/К инструкций;

максимальное количество дискретных каналов ввода-вывода - 256;

диапазон счета таймеров-счетчиков - 0-4095;

модули ввода дискретных сигналов МС34.08-03 и МС34.09-03 (технические данные приведены в таблице 8.1);

модуль вывода дискретных сигналов МС35.25-03 (технические данные приведены в таблице 8.1);

модуль ввода аналоговых сигналов МС31.14, имеющий 8 каналов, с диапазоном изменения входных сигналов 0-10 В, 0-20 мА;

модуль вывода аналоговых сигналов МС32.09, имеющий 2 канала, с диапазоном изменения выходных сигналов 0-10 В, 0-20 иА;

модуль реального времени, предназначенный для обработки процессов реального времени, разработанный и изготовленный ГП НИПТИС, для реализации счетчика суток;

согласователь интерфейсов МС52.25, для обмена информацией с управляющей ЭВМ (обмен информацией осуществляется с IBM-совместимыми ЭВМ при помощи предназначенной для этого программной среды "MEMOWORD", разработанной ГП НИПТИС).

Таблица 8.1.

Технические характеристики модулей ввода-вывода дискретных сигналов.

Модуль

Род тока

Напряжение, В

Кол-во каналов

Обозначение

Тип

МС34.08-03

Ввод

Постоянный

24

8

МС34.09-03

Ввод

Переменный

220

8

МС35.25-03

Вывод

Переменный

220

8

Для осуществления переключений в силовой части дискретные выходные сигналы контроллера подаются на схему через промежуточные реле типа РП-21МУХЛ4.

Для измерения требуемых параметров выбираем преобразователи измерительные, обеспечивающие линейную зависимость между изменением измеряемой величины и выходного сигнала, относящиеся к изделиям ГСП:

абсолютного давления Сапфир-22М-ДА модель 2040;

разности давлений Сапфир-22М-ДД модель 2440 с блоком извлечения корня БИК-1;

температуры ТПХА-Б-1.01Г-02.200.

8.4 Разработка функциональной схемы

В соответствии с выбранным контроллером, сменными модулями и датчиками, составим функциональную схему контроллера. Данная схема представлена на рис.8.6 Схема подключения контроллера к устройствам системы управления насосной установкой изображена на схеме принципиальной электропривода насосной установки (лист 6).

8.5 Разработка программы управления установкой

В соответствии с разработанным алгоритмом, выбранными устройствами и местом подключения блоков ввода-вывода к каркасу компоновочному контроллера (см. сему принципиальную электропривода насосной установки, лист 6), была разработана программа управления насосной установкой. Программа составлена на языке символического кодирования. Текст программы и карта идентификаторов к ней приведены в приложении 1. Данная программа обеспечивает расчет напряжения задания напора для преобразователя частоты в зависимости от текущего расхода, управляет релейно-контактной частью схемы, а также производит статистический учет водопотребления (среднечасового, среднесуточного и среднемесячного). Версия данной программы для учета расхода пара была внедрена на Гомельском древообрабатывающем комбинате в 1998 г.

9. Конструктивная разработка пульта управления насосной установкой

Для обеспечения оперативного взаимодействия оператора с насосной установкой необходимо предусмотреть пульт управления. Пульт управления должен содержать органы воздействия, при помощи которых оператор мог бы управлять процессом работы, а также индикаторы для контроля состояния установки.

В соответствии с разработанной принципиальной схемой электропривода насосной установки (см. лист 6), на пульте управления должны находиться переключатели, кнопки и лампы световой сигнализации.

При помощи переключателей выбирается режим работы установки (ручное управление или автоматическое управление), а при ручном управлении - способ подключения двигателя (подключение к сети через преобразователь или прямое). При подключении двигателя к сети через преобразователь, управление параметрами преобразователя осуществляется с панели управления преобразователя, которая находится в шкафу управления (там же находится контроллер).

Кнопки используются для коммутации подключения двигателей (преобразователь или сеть), пуска при прямом подключении к сети и останова двигателей. Также на пульт управления выведена кнопка "ПУСК" преобразователя частоты, для пуска двигателя в режиме ручного управления от преобразователя частоты. Все используемые кнопки без фиксации. Кнопки "ПУСК" - черного цвета, кнопки "СТОП" - красного.

Световая индикация осуществляется лампами на номинальное напряжение 220 В. Лампы установлены под цветными глазками ("Работа", "Авт.", "Рег.", питающая сеть - зеленого; "Авария", "Ручн.", "Нерег." - красного). Над лампами сигнализации расположены надписи. Лампы должны сигнализировать о наличии напряжения питания на силовой и управляющей частях схемы, о состоянии двигателей привода насосов (автоматическое управление или ручное, прямое подключение к сети или через преобразователь), о состоянии релейно-контактной автоматики, преобразователя частоты и контроллера.

Разработанный в соответствии с вышеизложенными требованиями пульт управления приведен на рис.9.1 и на листе 7 графического материала.

10. Проектирование схемы электроснабжения и защиты насосной установки

10.1. Проектирование схемы электроснабжения и защиты насосной установки

Установка питается электроэнергией от главного распределительного щита трансформаторной подстанции. Воздушная или кабельная линия от главного распределительного щита трансформаторной подстанции приходит на силовой распределительный щит установки к которому через автоматические выключатели присоединены силовые агрегаты установки. Схема электроснабжения проектируемой установки изображена на рис.10.1.

10.2. Выбор аппаратов и кабелей

Выбор автоматического выключателя и питающего кабеля осуществим в соответствии с методикой, приведенной в [5]. Требуется определить номинальные токи расцепителей автоматических выключателей и выбрать сечения проводов и кабеля из условий нагрева и соответствия токам расцепителей.

Номинальный ток защищающего от перегрузки теплового расцепителя автоматического выключателя или нагревательного элемента теплового реле магнитного пускателя выбирают только по длительному расчетному току линии Iдл:

Iтр > Iдл, (10.1)

где Iдл = Iн эд = 15 А (Iн эд - номинальный ток двигателя).

Выбираем автоматический выключатель с комбинированным расцепителем типа А3710Б на 40 А.

Номинальный ток электромагнитного Iэл или комбинированного расцепителя автоматических выключателей выбирают также по длительному расчетному току линии:

Iэл > Iдл. (10.2)

Выбираем расцепитель с номинальным током 25 А.

Ток срабатывания (отсечки) электромагнитного или комбинированного расцепителя Iср. эл проверяется по максимальному кратковременному току линии Iкр:

Iср. эл > 1.25Iкр. (10.3)

Для ответвления к одиночному электродвигателю максимальный кратковременный ток линии равен пусковому току электродвигателя Iп = 112,5 А, тогда:

Iср. эл > 1.25112,5 = 140,6 А. (10.4)

Выбираем расцепитель с номинальным током 25А и током мгновенного срабатывания 150А.

Устанавливаем невозможность срабатывания автомата при пуске по выражению (10.4): 150 > 140,6.

Чтобы обеспечивалась защита установки, необходимо, чтобы время срабатывания автоматического выключателя было меньше времени протекания максимального тока через преобразователь.

Итак, выбираем автоматический выключатель типа А3710Б на 40 А, с комбинированным расцепителем на ток 25 А и током отсечки 150 А, время срабатывания защиты - 0,05 с.

Сечение жил кабеля, питающего установку определяем исходя из экономической плотности тока j = 4 А/мм2, по выражению:

S = Iн. эд / j, (10.5)

тогда получаем: S = 15/4 = 3,75 мм2.

Выбираем трехжильный кабель с бумажной пропитанной изоляцией с алюминиевыми жилами, марки ААШВ сечением жилы 6 мм2, прокладываемый в трубе.

Проверку выбранного провода осуществим по длительному току нагрузки Iдл, исходя из условия:

Iдоп > Iдл / кткп, (10.6)

где кт - коэффициент поправки на температуру окружающей среды, кп - поправочный коэффициент на количество совместно проложенных кабелей.

Так как температура воздуха в помещении равна 20С, то поправочный коэффициент по температуре кт = 0.88.

Так как в трубе находится один кабель, то поправочный коэффициент будет равен кп = 1, тогда условие (10.6) примет вид:

Iдоп > Iдл / кт, (10.7)

следовательно, Iдоп > 15/0,88 = 17 А.

Для выбранного ранее кабеля ААШВ с сечением жилы 6 мм2, допустимая токовая нагрузка равна 55 А.

10.3 Таблица перечня элементов производственной установки

В соответствии с разработанной принципиальной схемой установки (см. лист 6 графического материала) составим перечень элементов, используемых в системе электропривода. Данный перечень элементов приведен в приложении 2.

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены