ФП - функциональный преобразователь;

U_ЗС - напряжение задания скорости;

U_ЗЧ - напряжение задания частоты;

f - заданная частота;

U - заданное напряжение.

Согласно подпункту 5.2, в электроприводе турбомеханизма будем использовать ПИ-регулятор давления, имеющий следующую передаточную функцию:

(5.61)

где

(5.62)

Постоянная интегрирования регулятора давления:

(5.63)

где

(5.64)

(5.65)

.

Передаточная функция регулятора:

(5.66)

Коэффициент будет рассчитан по следующей формуле:

(5.67)

Функциональный преобразователь представлен коэффициентом k_e и определяется из выражения:

(5.68)

Рассчитав все параметры системы, можно изобразить их, подставляя в структурную схему электропривода со стабилизацией напора (рисунок 5.7):

Рисунок 5.7 - Структурная схема электропривода с рассчитанными параметрами системы

6. РАСЧЕТ И АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ И СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

6.1 Разработка компьютерной (имитационной) модели автоматизированного электропривода

На основании выбранной математической модели выполним построение имитационной модели автоматизированного электропривода в среде MATLAB 7.8 c использованием идеализированной модели формирования напряжения на входе блока «Asynchronous Machine SI Units».

На основании структурной схемы электропривода при стабилизации напора составим имитационную модель автоматизированного электропривода, представленную на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 - Имитационная модель автоматизированного электропривода при частотном управлении по закону ш₁ = const с IR-компенсацией, при стабилизации напора в рабочем диапазоне частот

Так как, все необходимые расчеты были выполнены в предыдущем разделе, выполним настройку всех блоков имитационной модели. Некоторые элементы реализованы в виде подсистем при помощи блока "Subsystem". Все подсистемы подсвечены графически и имеют каждая своё название. Целесобразно привести структурные схемы данных блоков.

Так подсистема “frequency converter” представляет собой преобразователь частоты, на вход которой подаётся заданное значение частоты f и амплитуда питающего напряжения U_m. Структурная схема представлена на рисунке 6.2:

Рисунок 6.2 - Структурная схема модели подсистемы "frequency converter " - Преобразователь частоты

Определение статического момента представлено выражением, определяющим статический момент электропривода, выражение заключено в подсистему с названием “Moment st”.

На вход подсистемы подаётся отношение текущей скорости к номинальной. Структурная схема приведена на рисунке 6,3:

Рисунок 6.3 - Структурная схема модели подсистемы “Moment st” - Определение статического момента

Действующее значение тока двигателя определяется на основании фазных и координатных преобразований в подсистемах "phase converter" - Преобразователь фаз и "coordinate converter" - Преобразователь координат. Преобразования выполняются в соответствии со следующими выражениями:

- преобразование из трехфазной системы координат в двухфазную ("phase converter" - Преобразователь фаз):

(6.1)

где

i_1б, i_1в - проекции токов статора в системе координат б-в;

i_1a, i_1b, i_1c - мгновенные значения фазных токов обмотки статора;

- преобразование из неподвижной системы координат во вращающуюся систему координат ("coordinate converter" - Преобразователь координат):

(6.2)

где

i_1x, i_1y - проекции токов статора во вращающейся системе координат х-у;

ц - угол поворота системы координат.

Действующее значение тока определяется из выражения

 (6.3)

Структурные схемы моделей подсистем "phase converter" - Преобразователь фаз и "coordinate converter" - Преобразователь координат представлены на рисунках 6.4 и 6.5 соответственно.

Рисунок 6.4 - Структурная схема модели подсистемы "phase converter" - Преобразователь фаз

Рисунок 6.5 - Структурная схема модели подсистемы "coordinate converter" - Преобразователь координат

Для моделирования асинхронного двигателя используется стандартный блок Asynchronous Machine SI Units, расположенный в разделе Machines библиотеки SimPowerSystems. Так как блок имеет широкий диапазон настроек, приведём для наглядности основное окно настроек с используемыми рассчитанными параметрами (рисунок 6.6):

Рисунок 6.6 - Основное окно настройки параметров блока асинхронной машины Asynchronous Machine SI Units

6.2 Расчет переходных процессов и определение показателей качества

Для отображения переходных процессов на диаграммах, произведём моделирование пуска двигателя насосной установки и разгона его до номинальной скорости (щ_ном = 309,4рад/с; H _зд = H _ном = 62м) без обратного значения давления. При достижении номинальной скорости и требуемой высоты напора, в момент времени 15с изменим значение расхода питьевой воды до Q _изм = 300м³/ч и подадим сигал ступенчатым образом блоком “step”. Такое изменение значения расхода жидкости позволит проанализировать полученные данные и сделать необходимые выводы. Графики переходных процессов представлены на рисунках 6.7 - 6.14:



Рисунок 6.7 - График зависимости напора от времени при пуске электродвигателя типа 5АМ250М2 с помощью преобразователя частоты

Рисунок 6.8 - График зависимости угловой скорости от времени при пуске электродвигателя типа 5АМ250М2 с помощью преобразователя частоты

Рисунок 6.9 - График зависимости расхода от времени при пуске электродвигателя типа 5АМ250М2 с помощью преобразователя частоты



Рисунок 6.10 - График зависимости статического момента от времени при пуске электродвигателя типа 5АМ250М2 с помощью преобразователя частоты

Рисунок 6.11 - График зависимости электромагнитного момента от времени при пуске электродвигателя типа 5АМ250М2 с помощью преобразователя частоты

Рисунок 6.12 - График зависимости действующего значения тока статора от времени при пуске электродвигателя типа 5АМ250М2 с помощью преобразователя частоты



Рисунок 6.13 - График зависимости мгновенного значения тока статора от времени при пуске электродвигателя типа 5АМ250М2 с помощью преобразователя частоты

Рисунок 6.14 - График зависимости мгновенного значения тока ротора от времени при пуске электродвигателя типа 5АМ250М2 с помощью преобразователя частоты

В результате компьютерного имитационного моделирования были получены переходные процессы автоматизированного электропривода насосной установки для подачи питьевой воды на предприятие МНПЗ.

Определение показателей качества системы будет определяться такими параметрами, как величина регулирования, время регулирования и числом колебаний исходной величины до установившегося значения за время переходного процесса.

Для оценки перерегулирования нашей системы проанализируем график переходного процесса зависимости угловой скорости от времени, а именно рисунок 6.8. Как можно убедиться, перерегулирование будет очень низким, что объясняется наличием задатчика интенсивности. Таким образом колебательность системы можно принять близкой к нулю, так как значения не превосходят 5% от установившегося режима.

Быстродействие, определяемое временем достижения системой значения установившегося состояния, составляет порядка 5 секунд.

6.3 Расчет зависимости задающего воздействия от времени U₃ = f(t) для реализации технологического процесса за цикл работы

Основная задача насоса - поддержание напора на заданном уровне (H_зд = 62 м).

Объект управления можно реализовать относительно напора Н на выходе трубопровода при переменном расходе Q воды. Это не трудно представить следующим уравнением:

(6.2)

где

С - коэффициент, зависит от свойств магистрали.

Из графиков видно, что переходные процессы при пуске протекают без значительных колебаний и отклонений регулируемой величины от заданного значения. Процесс пуска происходит с примерно постоянным ускорением. Стабилизация напора при изменении расхода происходит без резких скачков и колебаний.

Задание напора в данной имитационной модели организовано с помощью блока линейной интерполяции “Lookup Table”. Окно настройки данного блока представлено на рисунке 6.15:



Рисунок 6.15 - Основное окно настройки параметров линейной интерполяции LookUP Table

блок позволяет задать закон изменения напора, которого необходимо достичь. В данном случае с помощью таблицы данных задан следующий линейный закон для напора: в начальный момент времени напор отсутствует и равен нулю. При истечении времени в 5 секунд, напор должен достичь отметки в 62 метра и остаться на этом уровне. 5 секунд выдержки времени, говорит о времени пуска двигателя. Характеристика, отображающая данную зависимость, изображена на рисунке 6.16:

Рисунок 6.16 - График зависимости задания напора от времени при пуске электродвигателя типа 5АМ250М2 с помощью преобразователя частоты

6.4 Построение статических характеристик электропривода, соответствующих зависимости U₃ = f(t) за цикл работы

Согласно выбранному закону частотного управления, а именно ш₁ = const с IR компенсацией., построим семейство механических характеристик идеализированного асинхронного двигателя, при частотном управлении при квадратичном статическом моменте. Эти характеристики можно представить следующей системой уравнений:

(6.5)

где - относительная частота.

Подставим рассчитанные ранее значения в эту систему и используя программу Microsoft Office Excel 2007 построим ряд механических характеристик варьируя при этом значения относительной частоты от 1 до 0,6 с шагом в 0,2. Система примет следующий вид:

(6.6)

Построим семейство полученных механических характеристик в относительных единицах и изобразим их на рисунке 6.17:

Рисунок 6.17 - Механические характеристики электродвигателя 5АМ250М2 при частотном управлении по закону ш₁ = const с IR компенсацией.

7. ОКОНЧАТЕЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ПРАВИЛЬНОСТИ ВЫБОРА ДВИГАТЕЛЯ

7.1 Построение точной нагрузочной диаграммы электропривода за цикл работы автоматизированного электропривода

Используя имитационную модель, которая была подробно рассмотрена в 6 разделе, была получена зависимость момента от времени при пуске. Из-за длительного времени работы установки, без изменения нагрузки (от нескольких часов до нескольких суток) невозможно промоделировать весь цикл работы, поэтому в качестве точной нагрузочной диаграммы приведём нагрузочную диаграмму при пуске электропривода (рисунок 7.1).

Рисунок 7.1 - Точная нагрузочная диаграмма автоматизированного электропривода насоса подачи воды на МНПЗ

7.2 Проверка электродвигателя по нагреву и перегрузочной способности электропривода по точной нагрузочной диаграмме

Так как двигатель работает в режиме S1, то по нагреву двигатель проверять не нужно. За время пуска или торможения температура двигателя практически не изменяется, а в установившемся режиме двигатель работает в пределах номинальных параметров.

Проверка двигателя по перегрузочной способности производиться по условию:

(7.1)

Исходя из рисунка 7.1: M_max = 700 Н·м.

Максимальный электромагнитный момент был найдет в п. 5.3 и согласно (5.36) M_э.max = 787,32Н·м.

Проверим условие (7.1):

700 Н·м < 787,32Н·м.

Следовательно, двигатель типа 5АМ250М2 по нагреву и перегрузочной способности выбран верно.

8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ПРОГРАММИРУЕМОГО КОНТРОЛЛЕРА

8.1 Формализация условий работы промышленной установки

Запуск насосной установки происходит в следующем порядке. Преобразователь частоты подключается к основному электродвигателю и производит его запуск.

В технологическом процессе необходимо поддерживать заданное давление, поэтому при рассогласовании задающего сигнала с действующим, который можно получить с помощью выбранного ранее датчика давления, ПЧ меняет значение частоты в большую, либо меньшую сторону.

При поломке насосной установки возможны следующие случаи:

- выход из строя преобразователя частоты. В этом случае система автоматизации должна немедленно обеспечить подключение АД напрямую к сети;

- выход из строя основного либо вспомогательного электродвигателя. В этом случае необходимо запустить резервный АД.

Визуальная сигнализация выхода из строя преобразователя частоты, работающего двигателя, а также датчика давления позволит выявить поломку в работе системы.

8.2 Разработка алгоритма и программы управления

Согласно требованиям к автоматизации промышленной установки и описанию её работы, изложенной в п. 8.1, составим алгоритм работы установки и по этому алгоритму составим программу управления.



Рисунок 8.1 - Алгоритм управления автоматизированным электроприводом насосной установки для подачи питьевой воды на МНПЗ

Окончание рисунка 8.1

Программа управления автоматизированным электроприводом насосной установки для подачи питьевой воды на МНПЗ представлена на рисунке 8.2.

Таблица 8.1 - Адресация входов, выходов и промежуточных сигналов программируемого логического реле Siemens LOGO

№	Адрес	Функция
Входные переменные
1	I1	Исправность преобразователя частоты
2	I2	Исправность датчика давления
3	I3	Исправность работающего насоса
4	I4	Пуск основного насоса - сигнал с кнопки
5	I5	Остановка насосной установки - сигнал с кнопки
6	I6	Пуск резервного насоса - сигнал с кнопки
7	I7	Сигнал о текущем давлении от датчика давления
8	I8	Сигнал задания требуемой величины давления
Выходные переменные
9	Q1	Сигнализация о неисправности преобразователя частоты
10	Q2	Сигнализация о неисправности датчика давления
11	Q3	Сигнализация о неисправности работающего насоса
12	Q4	Начало работы насоса от преобразователя частоты
13	Q5	Останов работы насоса
14	Q6	Начало работы насоса в режиме “bypass”
15	Q7	Сравнение текущего и заданного значения давления
16	Q8	Сигнал на включение резервного насоса

Рисунок 8.2 - Программа управления автоматизированным электроприводом насосной установки

8.3 Проектирование функциональной схемы системы автоматизации

В случае изменения технологических параметров процесса, ввод новых параметров осуществляется на пульте управления (ПУ). Информация поступает с персональной ЭВМ центрального пульта управления. Далее полученная информация обрабатывается центральным процессорным устройством в соответствии с преобразованиями по управляющей программе. Рассчитанные параметры технологического процесса сохраняются во внутреннем оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Редко изменяемые данные (текст программы, последовательности расчетов) - в перепрограммируемое постоянное запоминающем устройстве (ПЗУ).

Во время работы на контроллер поступает информация:

- о состоянии преобразователя частоты (ПЧ);

- информация от датчиков давления;

Передаваемая информация проходит преобразования в зависимости от устройства назначения.

Функциональная схема системы автоматизации представлена на рисунке 8.3.

На рисунке 8.3 приняты следующие обозначения:

БП - блок питания;

ПУ ЭВМ - пульт управления персональной электронной вычислительной машины;

ЦП - центральный процессор

МП - модуль памяти;

ПЛР - программируемое логическое реле;

ДВВ - модуль ввода-вывода дискретных сигналов;

ПЧ - преобразователь частоты;

ДД - датчик давления.



Рисунок 8.3 - Функциональная схема системы автоматизации

8.4 Выбор аппаратов системы автоматизации

В п. 4.1 был выбран для нашей системы преобразователь частоты фирмы Siemens. Поэтому для хорошей совместимости оборудования целесообразно использовать программируемое логическое реле этой же фирмы. Из [7] выбираем программируемое логическое реле Siemens LOGO! 24RC 6ED1 052-1HB00-0BA6.

Логические модули LOGO! - это универсальные программируемые модули, предназначенные для построения простейших устройств автоматического управления. Они могут использоваться автономно или дополняться необходимым набором модулей расширения. Компактные размеры, относительно низкая стоимость, простота программирования, монтажа и эксплуатации позволяют получать на основе модулей LOGO! множество рентабельных решений для различных областей промышленного производства и автоматизации зданий.

Модули LOGO! Basic оснащены встроенным дисплеем и клавиатурой. Они могут использоваться как на этапе программирования модуля, так и на этапе эксплуатации готового устройства. Встроенный дисплей позволяет отображать до 4 строк буквенно-цифровой информации с 12 символами на строку и управлением подсветкой дисплея из программы модуля. Меню и текстовые сообщения могут отображаться на английском, голландском, испанском, итальянском, китайском, немецком, русском, турецком, французском и японском языке. Программирование осуществляется посредством соединения встроенных функциональных блоков и задания параметров настройки с помощью системы встроенных меню. Все встроенные функции хранятся в памяти логического модуля в виде двух библиотек.

В процессе эксплуатации на экран дисплея выводятся простейшие оперативные сообщения, которые можно использовать для модификации параметров настройки с помощью встроенной клавиатуры модуля.

Так данное реле имеет в своём составе только 8 дискретных входов и 4 дискретных выхода, а нам необходимо 8 выходов, расширим его дополнив совместимым с ним модулем дискретных сигналов LOGO! DM8 [7]. Таким образом, получим расширенную версию Siemens LOGO! 24RC с 12 дискретными входами и 8 дискретными выходами. Собственно, Модуль LOGO! может поддерживать 24 цифровых входов,

Питание данного реле будем производить от блока питания LOGO! Power 6EP1332-1SH42 [7], который предназначен для питания логических модулей LOGO!, их входных и выходных цепей, а также любых других нагрузок. Приведём таблицу 8.2 основных технических параметров программируемого реле:

Таблица 8.2 Технические параметры программируемого реле Siemens LOGO! 24RC 6ED1052-1HB00-0BA6 и дополнительным модулем входов/выходов LOGO! DM8

Напряжение питания, В	24 В постоянного или переменного тока
Потребление тока, мА	45 ... 130 мА при 24 В переменного тока 40 ... 100 мА при 24 В постоянного тока
Число входов	12 дискретных
Количество выходов	8 дискретных
Степень защиты корпуса	IP 20
Операции:	38 встроенных функций, включая триггеры, счетчики, таймеры, импульсные реле, компараторы, генераторы импульсов и т.д.
Языки программирования	Ladder/Function Block Diagram
Температура окружающей среды	0 ... 55 °C
Дисплей и клавиатура	Отображение настроек программы на дисплее
Необходимое программное обеспечение	LOGO! Comfort V6.0 и выше

8.5 Проектирование схемы электрической соединений системы автоматизации

Электрическая схема соединения системы автоматизации представлена на рисунке 8.4. На рисунке изображены такие элементы автоматизации как преобразователь частоты Siemens Micromaster 430 и программируемое логическое реле Siemens LOGO! вместе с блоком питания LOGO! Power.

Рисунок 8.4 - Схема электрическая соединений системы автоматизации

8.6 Полное описание функционирования системы автоматизации

Программируемое логическое реле обеспечивает полную автоматическую работу насосной установки с поддержанием давления в заданных пределах.

При включении программируемого логического реле, контроллер проверяет, работает ли преобразователь частоты, а также проверяет работоспособность датчика давления (есть ли сигнал) и электропривода (есть ли вращение на валу). В случае неработоспособности чего-либо из вышеописанного, на панели преобразователя сигнализируется ошибка. Если преобразователь частоты неисправен, обеспечивается пуск электродвигателя напрямую от сети, обходя сеть частотного преобразователя. Если преобразователь частоты в порядке, то при нажатии на кнопку "Пуск" основной двигатель подключается к преобразователю частоты и осуществляет его разгон до необходимой скорости. Сигнал о текущем давлении в трубопроводе приходит на преобразователь частоты, который, в свою очередь, настроен на поддержание необходимого значения давления. Сигнал о текущей частоте приходит на логическое реле, которое, при необходимости, согласно алгоритму работы, производит переключение контакторов. При выходе из строя двигателя, данная насосная установка отключается и вместо неё, в совместную работу насосной станции, вступает в работу резервный двигатель. При вторичной поломке одного из двух оставшихся в работе двигателей насосная станция полностью отключается до разбирательства.

При нажатии на кнопку "Стоп" все рабочие двигатели отключаются от питания и останавливаются за счет свободного выбега.

При выходе из строя преобразователя частоты, установка работает по схеме описанной выше, однако пуск двигателей осуществляется напрямую от сети.

9. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ

9.1 Выбор аппаратов, проводов и кабелей

Для питания выбранного программируемого логического реле необходимо использовать блок питания с выходным постоянным напряжением 24В. Из [7] выбираем блок питания фирмы SIEMENS LOGO! Power 6EP1332-1SH42, c основными техническими параметрами, представленными в таблице 9.1.

Таблица 9.1 - Технические параметры блока питания LOGO! Power 6EP1332-1SH42

Параметр	Значение
Номинальное входное напряжение, В	~ 100 - 240
Номинальное входное напряжение, В	= 24В
Номинальный выходной ток, А	2,5
Температура окружающей среды, єС	-20 ? +55 (рабочий диапазон)
Степень защиты	IP20

Магнитные пускатели предназначены для пуска и разгона электродвигателя до номинальной скорости, обеспечения его непрерывной работы, отключения питания и защиты электродвигателя и подключенных цепей от рабочих перегрузок. Выбор магнитных пускателей будем производить по номинальному току электродвигателя в соответствии со следующим выражением [8]:

(9.1)

где I_м.п. - номинальный ток магнитного пускателя.

Для нашего асинхронного двигателя типа 5АМ250М2 с номинальным током I_н = 157 А из [9] выбираем магнитные пускатели ПМ12-180120 в количестве 6шт., со следующими основными техническими параметрами:

Таблица 9.2 - Технические параметры магнитного пускателя ПМ12-180120

Параметр	Значение
Номинальный ток главной цепи, А	180
Номинальное напряжение втягивающей катушки, В	380
Номинальное напряжение изоляции, В	1000
Мощность двигателя, кВт	до 90
Степень защиты	IP54
Наличие теплового реле	Без теплового реле

Так как данные пускатели не комплектуются тепловыми реле их необходимо выбрать. Тепловые реле используются для защиты электродвигателей от длительных перегрузок по току при обрыве одной из фаз. При длительном режиме работы двигателей номинальный ток нагревательного элемента теплового реле I_н.э выбирают, исходя из номинального тока двигателя I_н, по соотношению [8]:

(9.2)

Из [10] выбираем тепловое реле РТИ-5376 IEK с регулируемым током срабатывания в пределах 150-180А.

Выбор плавких предохранителей производим по номинальному напряжению, по номинальному току предохранителя и по номинальному току плавкой вставки в соответствии со следующими выражениями [8]:

 (9.3)

где I_пл.вст. - номинальный ток плавкой вставки,

I_п - пусковой ток двигателя.

Пусковой ток электродвигателя определяется выражением [8]:

(9.4)

Из [11] выбираем плавкие предохранители ППН-41, с номинальным током плавкой вставки 1250А.

Подключение всего оборудования осуществляется с помощью автоматических выключателей. Номинальные токи автоматического выключателя I_на и его расцепителей I_нр определяют по номинальному току двигателя [8].

(9.5)

Ток срабатывания электромагнитного расцепителя находим по формуле:

, (9.6)

где - кратность отсечки, определяемая из неравенства:

, (9.7)

где 1,25 - коэффициент, учитывающий разброс защитных характеристик автоматического выключателя.

.

Тогда согласно формуле (9.6) имеем:

Из [10] выбираем автоматические выключатели ВА88-43 IEK, со следующими техническими параметрами (таблица 9.3):

Таблица 9.3 - Технические параметры автоматического выключателя ВА88-32

Параметр	Значение
Количество полюсов	3
Номинальное рабочее напряжение, В	380
Уставка теплового расцепителя, А	1000-1600
Срок службы не менее, лет	15
Диапазон рабочих температур, єС	? 60 … + 40

Для подключения блока питания к сети из [10] выбираем двухполюсный автоматический выключатель ВА47-2П.

Для выбора общего вводного автоматического выключателя необходимо определить общую расчетную нагрузку.

(9.8)

где К_и = 0,7 - коэффициент использования для насосов [8].

Тогда

Расчетная реактивная мощность определяется следующим образом:

(9.9)

Расчетный ток группы электродвигателей:

(9.10)

Из [10] выбираем трехполюсный автоматический выключатель ВА88-43 IEK с аналогичными параметрами, приведенными в таблице 9.3.

Выбор сечения кабеля по допустимому нагреву производится по таблице допустимых токов по условию [8]:

, (9.10)

где - коэффициент, учитывающий фактические условия прокладки ( при нормальных условиях прокладки ).

Следовательно .

Выбор сечения по условию соответствия аппаратов максимальной токовой защиты, установленной в начале линии, производится по условию:

(9.12)

где k_з - кратность длительного допустимого тока провода или кабеля по отношению к номинальному току или току срабатывания защитного аппарата. k_з = 1.

I_з - номинальный ток защитного аппарата.

Следовательно выбор кабелей осуществляем по условию

Используя таблицу допустимых токов кабелей в [8] можно сделать вывод, что нам необходимо использовать кабель с сечением токопроводящей жилы 10мм². Из [13] выбираем кабель ВВГ-1х10.

10. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

10.1 Схема электрическая принципиальная автоматизированного электропривода

На основании функциональной схемы, а также выбора всех аппаратов и элементов, можно построить электрическую принципиальную схему автоматизированного электропривода, которая изображена на рисунке 10.1.

На рисунке приняты следующие обозначения:

М6-М9 - асинхронный электродвигатель типа 5АМ250М2;

КК1-КК8 - тепловое реле типа РТИ-5376;

ПЛР - программируемое логическое реле типа SIEMENS LOGO! 24RC 6ED1 052-1HB00-0BA6;

ПЧ - преобразователь частоты типа SIEMENS MicroMaster 430 6SE6430-2UD38-8FA0;

БП - блок питания типа SIEMENS LOGO! Power 6EP1332-1SH42;

ДД - датчик давления типа BD Sensors DS201;

FU1-FU12 - плавкие предохранители типа ППН-41;

КМ1-КМ7 - магнитные пускатели типа ПМ12-180120;

L1-L3 - входные дроссели типа RWK 212-46-KL;

QF1, QF3-QF7 - автоматические выключатели типа ВА88-43;

QF2 - автоматический выключатель типа ВА47-2П.



Рисунок 10.1 - Схема электрическая принципиальная автоматизированного электропривода

10.2 Составление перечня элементов электрооборудования промышленной установки

Таблица 10.1 - Перечень элементов электрооборудования промышленной установки

Поз. обозначение	Наименование	Кол.	Прим.
1	2	3	4
	Автоматический выключатель
QF1, QF3-QF7	ВА88-43	6
QF2	BA47-2П	1
	Блок питания
БП	LOGO! Power 6EP1332-1SH42	1
	Входной дроссель
L	RWK 212-46-KL	3
	Датчик давления
Датчик давления	BD Sensors DS201	1
	Магнитный пускатель
КМ1-КМ7	ПМ12-180120	7
	Насос
Н6-Н9	1Д-315-71а	4
1	2	3	4
	Плавкий предохранитель
FU1-FU12	ППН-41	12
	Преобразователь частоты
ПЧ	MicroMaster 430 6SE6430-2UD38-8FA0	1
	Программируемое логическое реле
ПЛР	LOGO! 24RC 6ED1 052-1HB00-0BA6	1
	Тепловое реле
КК1-КК8	РТИ-5376	8
	Электродвигатель
М6-М9	5АМ250М2	4

10.3 Полное описание функционирования схемы электрической принципиальной автоматизированного электропривода

На рисунке 10.1 представлена схема автоматизированного электропривода насосной установки для подачи питьевой воды на предприятие Мозырский НПЗ. Для защиты электродвигателей и преобразователя частоты, их подключение к промышленной сети производится через автоматические выключатели QF1, QF3-QF7. Для защиты цепи питания системы автоматического управления используется автоматический выключатель QF2. Он защищает блок питания БП от коротких замыканий, перегрузок и снижения напряжения. Программируемое логическое реле получает питание =24В от блока питания.

Помимо автоматических выключателей, электродвигатели защищены при помощи плавких предохранителей и тепловых реле.

При поступлении сигнала "Пуск" с пульта управления, происходит запуск насосной установки, в задачу которой входит поддержание постоянного давления в трубопроводе в зависимости от времени суток. В зависимости от требований со стороны технологического процесса расход воды будет различным, а для более правильного его ведения целесообразна смена двигателей в случае выхода из строя одного из них, автоматическое переключение которых, при необходимости, осуществляет программируемое логическое реле SIEMENS LOGO!, согласно алгоритму работы (рисунок 8.1). При поломке двигателя, система автоматизации произведет отключение вышедшей из строя насосной установки и вместо неё, при необходимости, в совместную работу запустит резервную насосную установку. Система автоматического управления позволяет работать насосной установке без вмешательства человека, в полностью автоматическом режиме.

11. ОХРАНА ТРУДА

11.1 Расчет зануления для автоматизированного электропривода насосной установки машины непрерывного литья заготовок

Зануление - это преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Принцип действия зануления - превращение замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание (между фазным и нулевым проводником) с целью вызвать больший ток, способный обеспечить срабатывание защиты и автоматически отключит поврежденное электрооборудование от питающей сети. В качестве отключающих аппаратов могут быть использованы плавкие предохранители, автоматические выключатели, магнитные пускатели и т.д. Необходимо также отметить, что с момента возникновения аварии (замыкания на корпус) до момента автоматического отключения поврежденного оборудования от сети имеется небольшой промежуток времени, в течение которого прикосновение к корпусу опасно, так как корпус находится под напряжением U_ф (рисунок 11.1) и отключение его от сети еще не произошло. В этот период срабатывает защитная функция заземления корпуса оборудования через нулевой защитный проводник.

Из рисунка видно, что схема зануления требует наличия в сети следующих элементов: нулевого защитного проводника, глухого заземления нейтрали источника тока, повторного заземления нулевого защитного проводника.

Нулевой защитный проводник предназначен для обеспечения необходимого отключения установки значения тока путем создания для этого тока цепи с малым сопротивлением.

Назначение заземления нейтрали - снижение напряжения зануленных корпусов относительно земли до безопасного значения при замыкании фазы на землю.

Назначение повторного заземления нулевого защитного проводника - снижение напряжения на корпус относительно земли при замыкании фазы на корпус в случае исправной схемы и в случае обрыва нулевого защитного проводника, в соответствии с ТКП 339-2011.

Рисунок 11.1 - Схема зануления

На рисунке приняты следующие обозначения:

1 - корпус;

2 - аппараты защиты от токов короткого замыкания;

R₀ - сопротивление заземления нейтрали источника тока;

I_k - ток короткого замыкания;

I_н - часть тока короткого замыкания, протекающая через нулевой проводник;

I_з - часть тока короткого, протекающая через землю;

Область применения зануления:

1) трехфазные четырех проводные сети напряжением до 1000 В с заземленной нейтралью;

2) сети постоянного тока, если средняя точка источника заземлена;

3) однофазные сети переменного тока с заземленным выводом.

Отключение поврежденной насосной установки от питающей сети произойдет, если значение тока однофазного короткого замыкания I_К, которое искусственно создается в цепи, превысит значение тока срабатывания защитного аппарата I_э.р. и выполнит следующее условие:

. (11.1)

Уставка срабатывания по току короткого замыкания автоматического выключателя I = 1000А (таблица 9.3). Таким образом из (11.1) следует:

Величину тока однофазного короткого замыкания, возникающего в петле фаза - нулевой провод, при однофазном замыкании на корпус, определяют по формуле [14]:

(11.2)

где

(11.3)

Z_п - полное сопротивление петли фаза-ноль;

Z_т/3 - сопротивление трансформатора;

R_ф - активное сопротивление фазных жил кабеля;

R₀ - активное сопротивление зануляющего проводника;

х - реактивное сопротивление (определяется только для электропроводок в стальных трубах);

Согласно источнику R_ф = 3,74Ом/км, R₀ = 1,07Ом/км, Z_т/3 = 0,043Ом.

Сопротивление на участке длиной 30 м фазной жилы:

R_ф = 3,74·0,03 = 0,1122 Ом.

Сопротивление на участке длиной 30 м нулевой жилы:

R₀ =1,07·0,03 = 0,0321 Ом.

Подставим значения в формулу (11.3) и найдем полное сопротивление петли фаза-ноль.

Находим действующее значение тока однофазного короткого замыкания, проходящего в схеме в аварийном режиме:

Согласно условию (11.1):

Следовательно, отключающая способность системы зануления обеспечена.

11.2 Меры безопасности при обслуживании электродвигателей насосной станции

Если работа на насосной установкой связана с прикосновением работающих к токоведущим или вращающимся частям, то электродвигатель должен быть отключён. Работа, не связанная с прикосновением к токоведущим или вращающимся частям насосной установки, проводиться при работающем электродвигателе. Запрещается снимать защитное ограждение вращающихся частей работающего электродвигателя и механизма.

При работе на насосной установке заземление устанавливается на любом участке кабельной линии, соединяющей электродвигатель с щитом или сборкой. Если на отключённом электродвигателе работы не проводятся или прерваны на несколько дней, то отсоединённая от него кабельная линия заземляется со стороны электродвигателя. В тех случаях, когда сечение жил кабеля не позволяет применять переносные заземления, допускается заземлять кабельную линию медным проводником сечением не менее сечения жилы кабеля либо соединять между собой жилы кабеля и изолировать их. Такое заземление и соединение жил кабеля должно учитываться в оперативном журнале наравне с переносным заземлением. На установке вывешиваются плакаты "Стой! Напряжение" независимо от того, находятся они в работе или нет. На электродвигателе, на котором предстоит работа, должен быть вывешен плакат "Работать здесь".

Со схем ручного, дистанционного и автоматического управления снимается напряжение, а на ключах, кнопках управления электроприводами должны быть вывешены плакаты "Не включать! Работают люди", согласно ТКП 427-2012.

Контроль работы электроприводов насосов проводит бригада с разрешения начальника смены структурного подразделения организации, в котором они установлены. О выдаче разрешения делается запись в оперативном журнале структурного подразделения организации, а о получении этого разрешения - в оперативном журнале структурного подразделения организации, проводящего опробование.

Порядок включения электродвигателей для опробования содержит следующие операции:

Производитель работ выводит бригаду с места работы, оформляет перерыв в работе и сдаёт наряд оперативно-ремонтному персоналу, который в свою очередь снимает установленные заземления, плакаты безопасности, выполняет сборку схемы. После опробования при необходимости продолжения работы на электродвигателе оперативно-ремонтный персонал вновь подготавливает рабочее место, и бригада по наряду повторно допускается к работе на электродвигателе. Включать и отключать электродвигатели пусковой аппаратурой с приводами ручного управления необходимо в электроизолирующих перчатках. Ремонт и наладку электрических схем электроприводов, не соединённых с исполнительным механизмом, допускается проводить по распоряжению. Их опробование разрешает лицо, отдавшее распоряжение. Запись об этом должна быть сделана при регистрации распоряжения.

11.3 Пожарная безопасность

В соответствии с ТКП474-2013, данное производство по пожарной, взрывной и взрывопожарной опасности можно отнести к категории Д. Категория Д - это производства, в которых обрабатываются негорючие вещества и материалы в холодном состоянии. Здание, в котором предполагается размещение данной насосной станции, можно отнести ко II степени огнестойкости, в котором допускается использовать один эвакуационный выход, если число работающих соответствует приведенному в таблице 11.1.

Таблица 11.1 - Использование эвакуационного выхода

Степень огнестойкости здания	Предельное число эвакуируемых человек с одного этажа здания при числе этажей
	2	3	4 и более
II	70	35	15

Ширина эвакуационного прохода составляет не менее 1 м., коридор или переход в другое здание - не менее 1,4 метра. Ширина лестничных маршей не менее ширины выхода на лестничную площадку с наиболее населенного этажа, но не менее 1 метра. Максимальное расстояние от наиболее удаленного рабочего места до эвакуационного выхода должно составлять 50 метров.

В качестве способа предотвращения распространения огня, здание оборудовано огнестойкими противопожарными перегородками 1 типа.

Помещение, в котором располагается насос, оборудовано первичными средствами пожаротушения. В качестве таких средств можно применять углекислотные и порошковые огнетушители, предназначенные для тушения различных материалов установок под напряжением до 1000В.

12. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Электроприводы турбомеханизмов потребляют 25% всей вырабатываемой электроэнергии и в большинстве случаев остаются нерегулируемыми, что не позволяет получить режим рационального энергопотребления и расхода воды, пара, воздуха и т. д., при изменении технологических потребностей в широких пределах. Силовое оборудование выбирается на максимальную производительность, в действительности же его среднесуточная загруженность может составлять около 50% от номинальной мощности. Значительное снижение момента нагрузки при снижении скорости вращения приводного двигателя, характерное для рассматриваемых механизмов, обеспечивает существенную экономию электроэнергии (до 50%) при использовании регулируемого электропривода и позволяет создать принципиально новую технологию транспортировки воды, воздуха и т. д., обеспечивающую эффективное регулирование производительности агрегата. Кроме того, поддержание в системе минимально необходимого давления приводит к существенному уменьшению непроизводительных расходов транспортируемого продукта и снижению аварийности гидравлических и пневматических сетей.

Невысокие требования к качеству регулирования давления и расхода обуславливают возможность применения наиболее простых и, следовательно, относительно недорогих преобразователей частоты, которые являются наиболее удобными с точки зрения проектирования и наладки. Положительным моментом является также то, что преобразователь частоты может быть легко внедрен в уже существующую установку без какой-либо реконструкции системы в целом. Сочетание высокой экономичности регулирования и относительно низкой стоимости оборудования обеспечивает минимальный срок его окупаемости (до 12 месяцев).

Создание системы с частотно-регулируемыми приводами, в которых управление частотой осуществляется наряду с контролем целого комплекса различных технологических параметров, позволяет снизить не только потребление электрической энергии, но и обеспечивает экономию потребления энергоресурсов всей системы.

В целом, применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода в насосных и вентиляторных установках дает следующие преимущества:

- экономия электроэнергии до 60%;

- экономия транспортируемого продукта за счет снижения непроизводительных расходов до 25%;

- снижение аварийности гидравлической или пневматической сети за счет поддержания минимально необходимого давления;

- снижение аварийности сети и снижение аварийности электрооборудования за счет устранения ударных пусковых токов;

- снижение уровня шума, создаваемого технологическим оборудованием;

- удобство автоматизации;

- удобство и простота внедрения.

Произведём расчёт экономии потребляемой электроэнергии при использовании системы ПЧ-АД по сравнению с регулированием производительности насосной станции при помощи задвижки. При расчетах примем, что за годовой период потребления питьевой воды, по нуждам завода необходимо было поддерживать давление, достаточное для бесперебойной работы персонала, что соответствует нагрузочной диаграмме представленной рисунке 3.6 и зададимся количеством рабочих дней равным 365 дней, потому как на заводе действует посменный график работы, за видом того, что расход в ночные часы заметно меньше, чем днём, что и демонстрирует приведённая диаграмма.

Количество потребляемой электроэнергии в системе ПЧ-АД определяется по формуле [15]:

(12.1)

где

P_т/м(Q) - потребляемая мощность турбомеханизма, определяемая как [15]:

(12.2)

a - коэффициент, принимаемый для насосов a = 0,08 - 0,15. Принимаем a = 0,1.

ДP_АД - потери АД, исходя из частичной загруженности двигателя, определяемые как:

(12.3)

?_АДраб - КПД двигателя при частичной загруженности;

ДP_ПЧ - потери в преобразователе частоты.

(12.4)

?_ПЧ - КПД преобразователя частоты, равный 0,95 - 0,99. Принимаем ?_ПЧ = 0,97.

КПД двигателя при частичной загрузке будем находить из графика зависимости КПД от коэффициента загрузки. Т.к. график загрузки для нашего двигателя 5АМ250М2 найти в общедоступной литературе невозможно, то в наших учебных целях будем использовать график загрузки для аналогичного по мощности двигателя 4А250М2, что не составит больших погрешностей в расчета и допустимо в наших учебных целях. Из [16] возьмем данные зависимости КПД от коэффициента загрузки.

По таблице 12.1 нанесем точки на ось и произведем их аппроксимацию, получение которой изобразим на рисунке 12.1.

Таблица 12.1 - Зависимость КПД от коэффициента загрузки для двигателя 4АМ250М2

?АД, %	25	50	75	100	125
P2/Pн, %	84	90	92	92	91,5

Рисунок 12.1 - График зависимости КПД коэффициента загрузки двигателя

Коэффициент загрузки определяется по формуле:

(12.4)

Произведем расчет потребляемой мощности основной насосной установкой, работающей согласно диаграмме 3.3:

- Произведем расчет потребляемой мощности насосной установкой, с расходом Q = 280м³/ч.

Потребляемая мощность насосом:

Как рассчитывалось ранее в п. 3.5, при расходе Q = 280м³/ч. насосная установка работает с рабочим моментом М_(Q=280м³_/ч) = 187,9 Н·м. Определим коэффициент загрузки:

откуда из рисунка 12.1 следует, что ?_АД ? 0,915.

Потери двигателя:

Потери в преобразователе частоты:

Тогда потребляемая мощность при расходе в 280м³/ч будет равна:

- Произведем расчет потребляемой мощности насосной установкой, с расходом Q = 250м³/ч.

Потребляемая мощность насосом:

Как рассчитывалось ранее в п. 3.5, при расходе Q = 250м³/ч. насосная установка работает с рабочим моментом М_(Q=250м³_/ч) = 149,8 Н·м. Определим коэффициент загрузки:



откуда из рисунка 12.1 следует, что ?_АД ? 0,9.

Потери двигателя:

Потери в преобразователе частоты:

Тогда потребляемая мощность при расходе в 250м³/ч будет равна:

- Произведем расчет потребляемой мощности насосной установкой, с расходом Q = 200м³/ч.

Потребляемая мощность насосом:

Как рассчитывалось ранее в п. 3.5, при расходе Q = 200м³/ч. насосная установка работает с рабочим моментом М_(Q=200м³_/ч) = 95,9 Н·м. Определим коэффициент загрузки:

откуда из рисунка 12.1 следует, что ?_АД ? 0,86.

Потери двигателя:

Потери в преобразователе частоты:

Тогда потребляемая мощность при расходе в 200м³/ч будет равна:

Количество потребляемой электроэнергии за год работы насосной станции, при регулировании с помощью ПЧ:

(12.6)

Теперь рассчитаем потребляемую мощность при регулировании производительности насосной станции с помощью задвижки.

Потребляемая электроэнергия при регулировании производительности насосной станции задвижкой:

(12.7)

P_т/м(Q) - потребляемая мощность турбомеханизма, определяемая по естественной характеристике насоса (рисунок 3.1).

По рисунку 3.1 определяем потребляемую мощность насосом при расходе Q = 280м³/ч:

Определяем потребляемую мощность насосом при расходе Q = 250м³/ч:

Определяем потребляемую мощность насосом при расходе Q = 200м³/ч:

Количество потребляемой электроэнергии за год работы насосной станции, при регулировании производительности при помощи задвижки:

Проанализировав данные, полученные из вышеприведенного расчета, можно заметить заметную экономию электроэнергии за год работы насосной станции, при использовании ПЧ:

(12.8)

что в процентом соотношении равняется:

(12.9)

Стоимость электроэнергии рассчитывается по следующей формуле::

(12.10)

где - цена кВт·ч электроэнергии. для промышленных и приравниваемых к ним потребителям, с присоединенной мощностью до 750кВА [17].

Годовая стоимость электроэнергии при регулировании производительности задвижкой:

Годовая стоимость электроэнергии при регулировании производительности преобразователем частоты:

Годовая экономия при использовании преобразователя частоты:

Величина суммарных затрат по внедрению частотного регулируемого электропривода насосной станции определяется как:

 (12.11)

где - цена преобразователя частоты и устройств автоматизации, руб.,

- коэффициент увеличения затрат на дополнительные проектно-конструкторские работы, монтаж, наладку и запуск оборудования, в зависимости от мощности преобразователя, . Принимаем к_доп = 1,15.

Срок окупаемости проекта рассчитывается по формуле:

(12.12)

Стоимость преобразователя частоты равна [18]:

Стоимость программируемого логического реле равна [19]:

По формуле (12.11) определим величину суммарных затрат по внедрению частотно-регулируемого электропривода:

Тогда срок окупаемости модернизации насосной установки, за счет экономии электроэнергии, по составит:

Плановая продолжительность ремонтного цикла (ремонтный цикл - наработка электрического оборудования, выраженная в годах календарного времени между двумя капитальными плановыми ремонтами) определяется по следующей формуле [20]:

 (12.14)

где - продолжительность ремонтного цикла, лет (для асинхронного электродвигателя), лет (для преобразователя частоты);

- коэффициент, учитывающий уменьшение ремонтного цикла основного оборудования, для ремонтного цикла, для межремонтного периода.

Плановая продолжительность ремонтного цикла для асинхронного электродвигателя составляет:

Плановая продолжительность ремонтного цикла для преобразователя частоты составляет:

Плановая продолжительность межремонтного периода определяется формулой [20]:

(12.15)

где t_ТАБЛ - продолжительность межремонтного периода, мес. (для асинхронного электродвигателя), мес. (для преобразователя частоты);

Плановая продолжительность межремонтного периода для асинхронного электродвигателя составляет:



Плановая продолжительность межремонтного периода для преобразователя частоты составляет:

По полученным величинам можно рассчитать количество капитальных и текущих ремонтов в расчете за 1 год по следующей формуле:

(12.16)

Для асинхронного электродвигателя количество капитальных ремонтов в год составляет:

Для преобразователя частоты количество капитальных ремонтов в год составляет:

Количество текущих ремонтов для асинхронного электродвигателя составляет:



Количество текущих ремонтов для преобразователя частоты составляет:

По заданному количеству ремонтов в год, а также по заданной норме трудоемкости определяется годовая трудоемкость ремонтов. Годовая трудоемкость капитальных и текущих ремонтов электрических машин рассчитывается по формуле [20]:

(12.17)

где - норма трудоемкости, чел·ч, - норма трудоемкости для капитального ремонта электродвигателя, - норма трудоемкости для капитального ремонта преобразователя частоты, - норма трудоемкости для текущего ремонта электродвигателя, - норма трудоемкости для текущего ремонта преобразователя частоты;

- поправочный коэффициент, учитывающий частоту вращения электродвигателя, для электродвигателей с частотой вращения 3000 об/мин.

Т.к. в нашей насосной установке используется 3 электродвигателя, работающих посменно, то формула для расчета капитальных и текущих ремонтов электродвигателей примет следующий вид:

 (12.18)

Для асинхронного электродвигателя годовая трудоемкость капитальных ремонтов составит:

Для преобразователя частоты годовая трудоемкость капитальных ремонтов составит:

Годовая трудоемкость текущих ремонтов для асинхронного электродвигателя составляет:

Годовая трудоемкость текущих ремонтов для преобразователя частоты составляет:

Годовая трудоемкость технического обслуживания принимается равной 10% от нормы трудоемкости текущего ремонта оборудования без учета поправочных коэффициентов: