Насосная станция холодного водоснабжения

- U/f-управление линейное;

- U/f²-управление квадратичное;

- параметрируемая кривая зависимости  U/f;

- «подхват на ходу»;

- компенсация скольжения;

- автоматический повторный запуск  при пропадании сети или нарушениях режима;

- простое регулирование процесса  благодаря внутреннему PI-регулятору;

- параметрируемое время разгона  и торможения в пределах 0 …  650 сек.;

- сглаживание кривой пуска;

- быстродействующее токоограничение  (FCL) для безаварийной

работы;

- быстродействующий, репродуцируемый  опрос цифровых входов;

- точный ввод заданного значения  благодаря 10-битному аналоговому  входу;

- комбинированный тормоз для  контролируемого быстрого останова;

 - 4 частоты пропускания против резонанса;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.1 - Принципиальная схема  подключения частотного преобразователя Siemens MICROMASTER 440

 

 

3.2.1 Разработка электрической схемы насосной станции.

 

На рисунке 3.2 представлена электрическая схема подключения преобразователя частоты к электродвигателю насосной станции.

 

 

 

 

 

Рисунок 3.2- Функциональная схема насосной станции автоматизации.

 

QF₁,QF₂,QF₃,QF₄,QF₅,QF₆- Автоматические выключатели;

 

M₁,M₂,- двигатель основной и резервный;

 

ПЧ- преобразователь частоты

 

ПУ- пульт управления станцией.

 

 

 

3.3 Оценка влияния преобразователя  частоты на питающую сеть

3.3.1 Вопросы  качества  электроэнергии

Вопросам качества электрической  энергии в последние несколько  лет уделяется очень большое  внимание. Электрическая энергия используется во всех    сферах    жизнедеятельности    человека,    обладает    совокупностью специфических свойств и непосредственно участвует в создании других видов    продукции,    влияя    на   их   качество.    Каждый   электроприемник предназначен   для  работы  при  определенных  параметрах  электрической энергии: номинальных частоте, напряжении и т. п., поэтому для нормальной его работы  должно  быть  обеспечено требуемое  качество  электрической энергии.   Таким  образом,   качество  электрической  энергии  определяется совокупностью    характеристик    электрической    энергии,    при    которых электроприемники могут нормально работать и выполнять заложенные в них функции. Важность проблемы повышения качества электрической энергии нарастала  вместе  с развитием  и  широким  внедрением  на производстве вентильных      преобразователей      и      различных      высокоэффективных технологических   установок,   таких   как   дуговые   сталеплавильные   печи, сварочные установки и др. В итоге возник своего рода парадокс: применение новых  технологий,  которые  экономичны  и технологически  эффективны, которые улучшают жизнь людей, отрицательно сказывается на качестве электроэнергии в электрических сетях. Ущерб, который несут потребители и энергосистема  вследствие  ухудшения  качества  электроэнергии,  принято делить    на    электромагнитный    и    технологический.    Основные    формы электромагнитного ущерба: снижение эффективности процессов генерации, передачи   и   потребления  электроэнергии  за  счет  увеличения  потерь  в элементах    сети;    уменьшение    срока    службы    и    выход    из    строя электрооборудования из-за нарушения его нормальных режимов работы и старения   изоляции;   нарушение   нормальной   работы   и   выход из   строя устройств релейной защиты, автоматики и связи.

В связи с ухудшением качества электроэнергии появляются так называемые отклонения напряжения. Отклонения напряжения оказывают  значительное влияние на работу электродвигателей. В случае снижения напряжения на зажимах двигателя уменьшается реактивная мощность намагничивания, при той же потребляемой мощности увеличивается ток двигателя, что вызывает перегрев изоляции. Повышенный износ изоляции приводит к сокращению срока службы двигателя. При значительном снижении напряжения на зажимах асинхронного двигателя, возможно, его «опрокидывание» из-за уменьшения вращающего момента и частоты вращения ротора. Снижение напряжения ухудшает и условия пуска двигателя, так как при этом уменьшается его пусковой момент. Повышение напряжения на выводах двигателя приводит к увеличению потребляемой им реактивной мощности, которую необходимо каким-то образом компенсировать. Отрицательные отклонения напряжения приводят к увеличению производственного процесса во времени, а иногда и к браку продукции. Следует также отметить одно простое, но очень важное правило, общее для любого электрооборудования: при повышении напряжения сверх номинального происходит перерасход электроэнергии по сравнению с уровнем ее потребления в номинальном режиме работы электрооборудования. Во вращающихся машинах гармоники напряжения и тока приводят к появлению добавочных потерь в обмотках ротора, в цепях статора, а также в стали статора и ротора. Потери в проводниках статора и ротора при этом больше, чем определяемые омическим сопротивлением, из-за вихревых токов и поверхностного эффекта. Токи утечки, вызываемые гармониками в торцевых зонах статора и ротора, также приводят к дополнительным потерям. Все это приводит к повышению общей температуры  машины  и  к  местным  перегревам,  наиболее  вероятным  в роторе, что может привести к очень серьезным последствиям. Также следует отметить, что при определенных условиях наложения гармоник может возникнуть механическая вибрация ротора. Несимметричные токи нагрузки, протекающие по элементам системы электроснабжения, вызывают в них несимметричные падения напряжения. Вследствие этого на выводах ЭП появляется несимметричная система напряжений. Отклонения напряжения у ЭП перегруженной фазы могут превысить допустимые значения. Кроме ухудшения режима напряжения у ЭП, при несимметричном режиме существенно ухудшаются условия работы как самих ЭП, так и всех элементов сети, что ведет к снижению надежности работы электрооборудования и системы электроснабжения в целом. Качественно отличается действие несимметричного режима от симметричного у таких распространенных трехфазных ЭП, как асинхронные двигатели (АД). Сопротивление обратной последовательности АД примерно в 5 раз меньше сопротивления прямой последовательности. Поэтому даже небольшая несимметрия напряжений вызывает значительные токи обратной последовательности, что ведет к дополнительному нагреву статора и ротора. Все это в итоге приводит к ускоренному старению изоляции, уменьшению располагаемой мощности двигателя, к снижению их производительности и дальнейшему дефициту активной мощности.

 Поэтому был принят ряд международных нормативов и ГОСТов по нормам качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения, который определяет все основные показатели качества электрической энергии. Каждый из этих показателей характеризует какое-либо свойство электрической энергии (отклонение напряжения, колебания напряжения и др.). В данной выпускной работе выбранный частотный преобразователь частоты фирмы Siemens MICROMASTER 440 должен соответствовать всем вышеперечисленным нормам и требованием. Поэтому произведем   гармонический расчет  влияния преобразователя частоты на качество сети и соответствия требованиям, предъявляемых, к данному типу электроприбора.

 

3.3.2 Расчет гармонического спектра ПЧ MICROMASTER 440

Расчет спектра гармонических  проводим с помощью программы HARMAC, прилагаемой фирмой SIEMENS.

Рисунок    3.2     -    Эквивалентный    ток

 

Рисунок 3.3 - Гармонический спектр тока

 

Таблица 3.2 - Расчет гармонического спектра ПЧ MICROMASTER 440

 

Согласно полученным расчетам частотный  преобразователь Siemens MICROMASTER 420 соответствует трем международным требованиям UK G5/3, IEEE519, EU EN6100-3-4.

 

 

 

4 Математическое моделирование системы ПЧ-АД

4.1 Математическое описание системы ПЧ-АД

Известно, что вентильные преобразователи  частоты могут обладать либо свойствами источника напряжения, либо свойствами источника тока. В первом случае наряду со входом управления частотой U_УЧ, преобразователь имеет вход управления напряжением U_УЧ. В случае инвертора тока регулирование магнитного потока машины при регулировании частоты осуществляется по входу управления током U_УТ.

Канал управления частотой может осуществлять либо дискретное, либо непрерывное  формирование частоты напряжения и тока. При непрерывном формировании синусоидальных напряжений или токов заданной частоты его можно считать практически безинерционным. Канал управления напряжением или током воздействует на тиристорный выпрямитель и его быстродействие может оцениваться быстродействием этого управляемого преобразователя.

Рисунок 4.1 - Структурная схема преобразователя  частоты

 

При таком управлении напряжением  в схеме (рис. 4.1), которое обеспечивает постоянство потокосцепления  = const, или при постоянстве    или , в пределах значения абсолютного скольжения уравнение механической характеристики двигателя имеет вид:

 

            (4.1)

 

В системе ПЧ-АД

 

             (4.2)

 

Дополнив это уравнение уравнением движения ЭП, получим систему уравнений, которой соответствует структурная  схема (рис 4.1). Системы ПЧ-АД. Параметры  и Т_Э в этой структуре должны соответствовать требуемому

режиму работы электромеханического преобразователя  =const,  =const

или =const.

Динамические свойства системы  ПЧ-АД, как объекту управления менее  благоприятны, чем динамические свойства регулируемых электроприводов постоянного тока, в связи с отсутствием независимого канала регулирования потока, аналогичного обмотке возбуждения двигателя с независимым возбуждением. Так при питании от источника напряжения потокосцепления , , сложно зависит от напряжения U₁, частоты f₁ и абсолютного скольжения S_a.

Для поддержания потока на заданном уровне при этих условиях необходимо регулирование его либо по отклонению, либо по принципу компенсации. В последнем случае управление напряжением U_УН (рис 4.1) реализуется на основе известной взаимосвязи между , или , управляющими воздействиями U₁ или I₁, и возмущающими факторами f₁ и S_a.

С целью расширения диапазона регулирования  необходимо рассмотренную систему  дополнить обратной связью по скорости с воздействием  на частоту и  задающее напряжение контура стабилизации потока.

Структурная схема частотного регулирования  с контуром стабилизации магнитного потока и скорости с обратной связью по скорости показана на рисунке 4.2.

 

Рисунок 4.2 - Структурная схема двухконтурной  системы управления АД – ПЧ.

 

где, ФП - функциональный преобразователь  в канале связи частоты и напряжения; ПЧ – преобразователь частоты; АД - асинхронный двигатель; ДН - датчик напряжения; ДС - датчик скорости; U_3F - задающее напряжение канала регулирования частоты; U_3У - задающее напряжение канала регулирования напряжения.

Механические характеристики в  двухконтурной системе частотного регулирования описываются уравнением:

 

           (4.3)

 

где

 

             (4.4)

 

Двухконтурная система автоматического  частотного регулирования с принятыми  выше допущениями может дать неограниченный диапазон регулирования. Практически ограничения допустимого диапазона регулирования скорости обусловлены лишь особенностями используемого конкретного преобразователя частоты.

Если применяются двигатели  с независимой вентиляцией, то частотное регулирование во всем диапазоне от номинальной скорости вниз допускает постоянный момент нагрузки, равный номинальному.

Структура, отражающая динамические свойства АД при постоянстве потокосцепления  довольно сложна. Один из вариантов выходной части устройства задания и обработки по напряжению в приводе с АИН представлен на рисунке 4.3. При этом входные сигналы i_12d, i_12q, , р , сформированы системой задания тока в декартовых координатах . Задание

проекции напряжения в системе  координат u₁ вычисляются по формулам:

 

          (4.5)

 

         (4.6)

 

Затем выполняется переход к  заданию напряжения U₁ в полярных координатах и обработка амплитуды задания напряжения замкнутой системы управления с подчиненным регулятором тока преобразователя. В пределах рабочего участка механической характеристики динамические свойства АД аналогичны свойствам двигателя независимого возбуждения, при этом частота f₁ для АД является управляющим фактором, аналогичным напряжению U_Я, приложенному к якорной цепи двигателя с независимым возбуждением.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.3 - Структурная схема управления напряжением в режиме = const.

 

4.2 Модель ПЧ-АД в  среде MATLAB

Проектирование полупроводникового электропривода включает в себя последовательность решения множества взаимосвязанных  задач, начиная от получения (иногда и разработки) технического задания  и кончая выпуском рабочей конструкторской документации. В ряду этих задач можно выделить задачи, связанные с проектированием силовой преобразовательной и управляющей части системы электропривода. Эти задачи проектирования в последние 7-10 лет решаются на совершенно новой основе. В теоретическом плане это связано с возникновением мощных компьютерных технологий, опирающихся на прикладные пакеты программ, способных решать практически любые задачи анализа, синтеза, расчета и конструирование, не только отдельных элементов, но и системы в целом.

Одним из таких программных средств  является программа MATLAB, которая позволяет  моделировать процессы, происходящие как  в силовой части так  и в электроприводе в целом.

Поскольку система ТПЧ АД является нелинейной, а динамика такой системы описывается сложными уравнениями, так как при изменении частоты меняются все параметры электродвигателя, то с   целью   упрощения   расчетов   воспользуемся   структурной   схемой линеаризованной системы ПЧ-АД, представленной на рисунке 4.4.

 

Рисунок  4.4  -  Структурная схема линеаризованной системы ПЧ-АД

Рассчитаем основные параметры  системы регулирования:

а) электромагнитная постоянная времени:

 

 с.

 

б) электромеханическая постоянная времени:

 

 

 

в) модуль жесткости линеаризованной  механической характеристики:

 

 

г) коэффициент управления:

 

 

Расчет динамики произведем с помощью  программы MATLAB. Линеаризованная модель системы ТПЧ АД в среде MATLAB представлена на рисунке 4.5. Переходные процессы тока и скорости при ступенчатом изменении управляющего сигнала представлены на рисунках 4.6 и 4.7.