Насосная станция холодного водоснабжения

           Следует отметить обстоятельство влияния изменения напряжения сети на механические характеристики асинхронного двигателя. При заданном скольжении момент двигателя пропорционален квадрату напряжения, поэтому двигатель довольно чувствителен к колебаниям напряжения.

Найдем значение момента асинхронного двигателя и построим естественную механическую характеристику:

 

1. s=0, рад/с, M=0;
2. s=0.15, рад/с,

    

3. s=0.2, рад/с,

    

4. s=0.3, рад/с,

    

5. s=0.5, рад/с,

    

6. s=0.6, рад/с,

    

7. s=0.7, рад/с,

    

 

8. s=0.85, рад/с,

    

9. s=0.9, рад/с,

    

10. s=1, рад/с,

    

Таблица 2.2 - Результаты расчета

s	0	0.15	0.2	0.3	0.5	0.6	0.7	0.85	0.9	1
МД,	0	3685	3299,05	2603,1	1751,3	1495,0	1302,6	1091,0	1034,4	937,9
ω, рад/с	157	133.45	125.6	109.9	78.5	62.8	47.1	23.55	15.7	0

 

И построим график зависимости момента АД от скольжения M=f(s):

 

Рисунок 2.1 – Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя  в двигательном режиме.

 

2.1.2 Искусственная механическая  характеристика АД при   U/f=const

(f= 25 Гц)

Для построения данных механических характеристик рассчитываем угловую скорость для всех значений скольжений:

 

                 (2.6)

 

Для расчета значений угловой скорости для частоты 25 Гц необходимо пересчитать  индуктивное сопротивление:

 

 Гн

 

 Ом 

 

 Ом

Индуктивное сопротивление  для частоты 15 Гц:

 

 

Рассчитываем значение критического скольжения при частоте 25 Гц:

 

 

 

 рад/с

 

Критическое скольжение при частоте 15 Гц:

 

Рассчитываем значение критического момента для частоты 25 Гц

Из закона частотного регулирования (U/f=const) получаем:220/50=4,4.

Тогда при частоте 25 Гц U_ф=4,4*25=110В,

При частоте 15 Гц U_ф2=4,4*15=66В

               (2.7)

 

Критический момент для частоты 15 Гц:

 

 

_{Критический момент для частоты 25 Гц:}

 

 

Найдем значение момента асинхронного двигателя при частоте 25 Гц и 
построим естественную механическую характеристику:

 

 

 
Найдем значение момента асинхронного двигателя при частоте 15 Гц и 
построим искусственную механическую характеристику:

1. s=0, рад/с, MД15=0;

 

2. s=0.15, рад/с,

    

3. s=0.2, рад/с,

    

4. s=0.3,   рад/с,

    

5. s=0.5, рад/с,

    

6. s=0.6, рад/с,

    

7. s=0.7, рад/с,

    

 

8.   s=0.85, рад/с,

    

9.   s=0.9, рад/с,

    

       

  10.  s=1, рад/с,

           

    

 

Таблица 2.3 - Данные расчета

S	0	0.15	0.2	0.3	0.5	0.6	0,75	0,85	0,9	1
, 50 Гц	157	133,45	125,6	109,9	78,5	62,8	47,1	23,55	15,7	0
, 25 Гц	78,5	66,725	62,8	43,96	39,3	31,4	23,55	11,78	7,85	0
, 15 Гц	47,1	40,035	37,68	32,97	23,55	18,84	14,13	7,065	4,71	0
МД50,	0	1,714	1,545	1,222	0,824	0,705	0,614	0,545	0,612	0,442
МД25,	0	0,572	0,662	0,766	0,820	0,862	0,796	0,811	0,596	0,723
МД15, км м	0	0,674	0,640	0,539	0,383	0,332	0,292	0,247	0,213	0,234

 

По полученным данным моментов строим три естественные механические характеристики при частоте15, 25 и 50 Гц.

 

 

                        Рисунок 2.2 – Зависимости угловой  скорости от момента.

 

По построенным двум естественным характеристикам асинхронного короткозамкнутого для разных частот двигателя видно, что при изменении частоты угловая скорость уменьшается, но при этом уменьшается значение критического момента, что ведет к ухудшению качественных характеристик двигателя. Для более качественного частотного регулирования асинхронного короткозамкнутого двигателя целесообразно изменяя частоту уменьшать угловую скорость вращения, но при этом сохранять постоянное значение критического момента.

 

3.Расчет параметров и элементов силовой схемы и преобразователя частоты.

3.1 Расчет и выбор силовых  элементов выпрямителя и инвертора 

3.1.1 Расчет напряжения источника  питания АИН с ШИМ

 

             (3.1)

 

где - номинальное значение линейного напряжения на статоре двигателя;

- максимально допустимое значение  коэффициента модуляции;

Для идеализированного  АИН  1. Практически всегда <1, так как определенную часть периода несущей частоты занимают процессы коммутации. При использовании современных IGBT транзисторов несущая частота f_K достигает 16 кГц, а 1.

Максимальное значение коэффициента модуляции можно рассчитать по формуле:

 

             (3.2)

         где - время выключения транзистора;

При f_K = 2 кГц 

 

 

Отсюда 

 

В

3.1.2 Расчет среднего  значения тока через транзистор и диоды обратного тока.

При больших кратностях отношениях несущей частоты и частоты модуляции для расчета среднего значения тока через транзистор воспользуемся формулой:

 

                (3.3)

 

где - амплитудное значение тока статора двигателя;

- угол сдвига фаз между  первичными гармониками тока  и напряжением нагрузки на  выходе инвертора;

Для расчета выбираем асинхронный  двигатель серии 4А, предназначенный  специально для частотного регулирования.

 

Таблица 3.1 - Данные двигателя 4А160M4У3

Мощность РН, кВт	Номинальный ток при 380 В IH, А	Номинальная частота  вращения nH, об/мин	Коэффициент мощности,
18,5	37.1	1500	0.8

 

При данных коэффициентах мощности и мощности двигателя найдём амплитудное  значение тока статора:

 

 А

 

При полученном амплитудном значении тока статора, рассчитаем среднее значение тока через транзистор:

 

 А

 

     При работе на низких частотах в наиболее тяжелом режиме для транзистора будет случай когда он в течение длительного времени коммутирует амплитудное значение тока нагрузки. В этом случае среднее значение рабочего тока через тиристор

 

Если АИН должен работать при  весьма низкой выходной частоте, то наиболее тяжелым режимом для тиристора будет случай, когда он в течение длительного времени коммутирует амплитудное значение тока нагрузки. Среднее значение тока через диоды обратного тока определим по формуле:

 

 А

      В режиме максимальной загрузки диода при работе инвертора на  весьма низких частотах ( в процессе пуска)

 

Выбор транзисторов и диодов АИН  производим исходя из напряжения на входе  инвертора с учетом перенапряжений, которые могут возникнуть на компенсирующем конденсаторе в моменты, когда ток от АИН направлен к источнику питания (торможение). Это напряжение выбираем исходя из допустимого перенапряжения конденсатора .

Расчетное значение напряжения на входе:

= 500.57 В

= 100 В

= 600.57 В

 

3.1.3 Расчет компенсирующего  конденсатора.

Для ряда электроприводов, где тормозной  режим не имеет решающего значения, допускается использование для  питания АИН обычного неуправляемого выпрямителя. При этом рекуперация энергии в сеть невозможна, однако АД может работать в генераторном режиме с ограниченными тормозными моментами за счет рассеивания энергии в виде потерь в двигателе и инверторе. При питании АИН от источника питания с односторонней проводимостью (от выпрямителя) при возникает необходимость в установке на входе АИН компенсирующего конденсатора, который принимает энергию в моменты времени, когда ток направлен от  к источнику питания. Ёмкость компенсирующего конденсатора может быть найдена по формуле:

 

 Ф

 

Анализ показывает, что емкость  компенсирующего конденсатора не зависит  от выходной частоты. Это обстоятельство позволяет использовать АИН с  ШИМ по синусоидальному закону для  работы на весьма низких выходных частотах. Ёмкость компенсирующего конденсатора обратно пропорциональна несущей частоте. Благодаря тому, что несущая частота достаточно высока, ёмкость компенсирующего конденсатора в АИН с ШИМ, как правило, меньше, чем в АИН без ШИМ.

 

3.1.4 Расчет тормозного резистора.

Для увеличения допустимого тормозного момента в схеме без рекуперации  энергии в сеть можно использовать включение на время торможения специального тормозного резистора RT. Сопротивление  этого резистора должно выбираться таким образом, чтобы вовремя торможения не происходило запирания выпрямителя. Сопротивления рассчитаем по формуле:

 

                  (3.4)

 

  где - максимальное значение постоянного тока, направленного во время торможения от АИН к выпрямителю;

Максимальное значение постоянного  тока рассчитаем по формуле:

 А

     

 

 Отсюда тормозное сопротивление:      

 Ом

 

 

 

3.2 Аналитический обзор  и выбор серийного преобразователя  частоты 

          Все частотные преобразователи, выпускаемые ведущими производителями имеют практически одинаковую элементную базу, и как следствие, схожие характеристики. На нашем рынке наиболее широко представлено оборудование фирмы Siemens. Оно обеспечивается технической документацией на русском языке и обслуживанием в авторизованных центрах. Поэтому на основании полученных расчетных данных и технологических требований выбираем частотный преобразователь фирмы Siemens MICROMASTER 440, который обеспечивает требуемые режимы насосной станции, имеет встроенный интерфейс связи RS-485 и позволяет подключить его к микроконтроллеру S7-200.

Преобразователи MICROMASTER 440 являются серийными преобразователями для регулирования трехфазных асинхронных двигателей. Имеют диапазон мощностей 120 Вт при однофазном входе и до 75 кВт при трехфазном входе.

Преобразователи оснащены микропроцессорной системой управления и используют  самые современные технологии с IGBT модулями-транзисторами (Insulated Gate Bipolar Transistor = биполярный транзистор с изолированным затвором). Вследствие этого преобразователи надежны и разнообразны. Оригинальный способ широтно-импульсной модуляции с выбором частоты коммутации дает возможность бесшумной работы электродвигателя. Обширные функции защиты обеспечивают эффективную защиту преобразователя и электродвигателя.

MICROMASTER 440 с заводскими установками является идеальным для широкой области простых применений регулирования скорости за счет обширного списка параметров настроек.

 

 

Основные особенности:

-  простой пуск в эксплуатацию;

-  малое время  отклика на сигналы управления;

-  особо гибкая  конфигурация благодаря модульной конструкции;

- три свободно  параметрируемых, потенциально развязанных  цифровых входа;

- два аналоговых входа (от 0 до 10 V, 0 mА до 20 mА), могут по

выбору быть использованы в качестве 7-го и 8-го цифровых входа;

- два параметрируемых аналоговых  выхода (от 0 mА до 20 mА);

- три параметрируемых релейных  выхода (DC 30V/5A, омическая нагрузка, AC 250V/2A, индуктивная нагрузка);

- бесшумная работа двигателя  благодаря высокой частоте импульсов;

- Силовые параметры:

- новейшая технология IGBT;

- цифровое микропроцессорное управление;

- регулирование прямым током  (FCC) для наилучших динамических характеристик и оптимального управления двигателем;