Автоматизированный электропривод

Очевидно, что при этом система с дешевым преобразователем ТПН оказывается слишком дорогой и нерациональной в практической реализации. Система ПЧ-АД, в которой скорость двигателя регулируется изменением частоты питающего напряжения, полностью лишена перечисленных недостатков. В этой системе экономится примерно вдвое больше энергии, так как в системах с ТПН половина экономящейся в насосе энергии рассеивается в двигателе, непредсказуемо уменьшая срок службы его подшипников и других деталей.

Из изложенного следует  важный вывод: наиболее эффективный способ регулирования скорости АД – изменение частоты с одновременным изменением напряжения при использовании ПЧ. При этом срок окупаемости инвестиций в оборудование составляет от 6 до 18 месяцев в зависимости от механизма, режимов его работы и мощности приводного двигателя [8].

 Изменять частоту  оборотов имеет смысл только  до определённой величины, при  которой напор турбомеханизма  станет равным статическому напору. При дальнейшем понижении производительности  насоса, напора развиваемого турбомеханизмом будет недостаточно, чтобы преодолеть статический напор в сети.

3.2. Выбор принятых показателей качества

В процессе разработки систем автоматического управления и регулирования  приходится учитывать весьма разнообразный  комплекс требований, связанный с различными их характеристиками. Эти требования можно объединить в некоторые основные группы.

К первой группе критериев  следует отнести требования, связанные  со статическими и динамическими  свойствами. Среди них важнейшее  место занимают точностные характеристики. Они определяют ошибки, которые могут иметь место в системе управления в различных режимах.

Ко второй группе относятся  требования, связанные с надежностью  работы систем управления, ее устойчивостью  к влиянию внешних воздействий. Сюда относятся в первую очередь такие требования как вероятность безотказной работы, интервал рабочих температур, вибростойкость, ресурс, условия хранения.

К третьей группе относятся  требования связанные с характером эксплуатации систем управления. Сюда относятся условия обслуживания системы в процессе ее работ, квалификация обслуживающего персонала, возможность ремонта.

К четвертой группе относятся  требования, связанные с допустимой массой и габаритами системы и  допустимым потреблением энергии.

К пятой группе относятся  требования, связанные с технологичностью изготовления системы управления.

Для нашего случая выделяем следующие показатели качества, предъявленные  к системе управления электроприводом  насосного агрегата:

1.   максимальная  точность системы.

2.   максимальный  КПД.

3.   минимальная  стоимость.

4.   минимальные  габариты.

3.3. Обоснование выбора системы регулирования привода по схеме ПЧ-АД

Наиболее перспективных  и широко  используемых в настоящее  время способов регулирования скорости АД является частотный способ. Этот способ обеспечит плавное регулирование в широком диапазоне, получаемые характеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ к тому же отличается и еще одним весьма важным свойством: при регулировании скорости АД не происходит увеличения его скольжения, как это имеет место, например, при реостатном регулировании.

Рассмотрим характеристики основных типов ПЧ.

НПЧ предназначен для  преобразования высокой частоты  в низкую и состоит из 18 тиристоров, объединенных во встречно-параллельные группы (рис.3.1). В основе преобразователя лежит трехфазная нулевая схема выпрямления; каждая фаза преобразователя состоит из двух таких встречно включенных выпрямителей.

НПЧ различают с раздельным и совместным управлением.

При раздельном управлении управляющие импульсы должны подаваться на тиристоры одной из вентильных групп в соответствии с направлением тока в нагрузке. Для обеспечения раздельной работы применяется специальное логическое устройство, исключающее возможность прохождения тока в одной группе в то время, когда ток проходит в другой группе.

В преобразователях с  совместной работой вентильных групп  необходимо включение дополнительных реакторов, ограничивающих уравнительный  ток между вентилями каждой группы, а углы управления положительной  и отрицательной групп изменяются по определенному закону, исключающему появление постоянной составляющей уравнительного тока. Преобразователи с совместным управлением работой вентильных групп обладают большой установленной мощностью силовых элементов.

Для получения выходного  напряжения, близкого по форме к синусоидальному, необходимо изменять угол включения вентилей таким образом, чтобы среднее за полупериод питающей сети значение напряжения изменялось в течение полупериода выходного напряжения по синусоидальному закону. Регулирование частоты и напряжения на выходе преобразователя достигается изменением угла включения вентилей.

 

 

Рис. 3.1 – ПЧ с непосредственной связью

К достоинствам этого  типа преобразователей можно отнести:

1) однократное преобразование  энергии и, следовательно, высокий КПД (около 0,97—0,98);

2) возможность независимого  регулирования амплитуды напряжения  на выходе от частоты;

3) свободный обмен  реактивной и активной энергией  из сети к двигателю и обратно

4) отсутствие коммутирующих  конденсаторов, так как коммутация тиристоров производится естественным путем (напряжением сети).

К недостаткам рассмотренного ПЧ относятся:

1) ограниченное регулирование  выходной 

2) сравнительно большое  число силовых вентилей и сложная  схема управления ими;

3) невысокий коэффициент мощности — максимальное значение на входе преобразователя около 0,8.

ПЧ со звеном постоянного  тока:

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобрaзовaтели с  явно выраженным звеном постоянного  тока, функциональная  схема которого приведена на рис. 3.2. В преобрaзовaтелях этого клaссa используется двойное преобрaзовaние электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (УВ), фильтруется фильтром ©, сглaживaется, a затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобрaзовaние энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению мaссогaбaритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Преобразователь с промежуточным  звеном постоянного тока позволяет  регулировать частоту как вверх, так и вниз от частоты питающей сети; он отличается высоким КПД (около 0,96), значительным быстродействием, сравнительно малыми габаритами и надежностью.

 

 

 

Рис. 3.2 – Функциональная схема ПЧ со звеном постоянного тока.

СФ – сетевой фильтр для отсечения  высших гармоник; В – выпрямитель, обычно не регулируемый (в ПЧ первого  поколения) для регулирования напряжения в звене постоянного тока; ДН и  ДТ – датчики напряжения и тока; ТК – тормозни ключ; АИ – автономный инвертор, обычно ШИМ (рис.3.3); МФ – мотор-фильтр, уменьшение высших гармоник на двигатель; СУ – система управления.

В качестве запираемых ключей в АИ (рис. 3.3).могут использоваться GTO тиристоры или  IGBT транзисторы.

Тиристор является полуупрaвляемым  прибором: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий  вывод, но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток  до нуля. Для этого в тиристорным преобрaзовaтеле частоты требуется сложная и громоздкая система управления.

 

Рис. 3.3 – Принципиальная схема АИ

 

Биполярные транзисторы  с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость, простая  неэнергоемкая система управления, сaмaя высокая рaбочaя чaстотa.

Вследствие этого преобрaзовaтели частоты на IGBT позволяют расширить  диaпaзон управления скорости вращения двигателя, повысить быстродействие привода  в целом.

Применение IGBT с более  высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорной системой управления в преобрaзовaтелях частоты снижает уровень высших гармоник, хaрaктерных для тиристорных преобрaзовaтелей. Как следствие – меньшие добавочные потери в обмотках и мaгнитопроводе электродвигателя, уменьшение нaгревa электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение так нaзывaемого «шaгaния» роторa в области малых частот. Снижаются потери в трaнсформaторaх, конденсаторных бaтaреях, увеличивaется их срок службы и изоляции проводов, уменьшaются количество ложных срaбaтывaний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.

Изменением периода подачи управляючих импульсов на силовые ключи достигается изменение частоты напряжения подваемого на двигатель (рис. 3.4).

Рис. 3.4 – Алгоритм подачи импульсов на транзисторы

 

При таком алгоритме  в любой момент времени работают три силовых ключа (VT1, VT4, VT6)

Для работы двигателя необходимо с  изменением частоты изменять и напряжение. Для этого его изменяют в звене  постоянного тока либо используют ШИМ. При выборе соотношений между частотой и напряжением чаще всего исходят их условий сохранения перегрузочной способности.

Выбор преобразователя частоты  производят исходя из условий:

;      ;

Вывод.

Таким образом, на основании  проведенного аналитического обзора, к проектированию принимается система  частотного регулирования скорости – транзисторный преобразователь  частоты – асинхронный двигатель.

 

4. Определение основных элементов электропривода

 

4.1. Расчет мощности и выбор электродвигателя насосной установки

 

Для выполнения требований технического задания необходимо произвести расчет мощности и по каталогам производителей выбрать соответствующие оборудование. [ 10-13 ]

Так как поставленной задачей является  регулирование напора изменением частоты  вращения рабочего колеса насоса, то привод, выбираемый в данной установке, должен иметь возможность изменения  скорости вращения вала двигателя.

Основным звеном в  системе электропривода является электродвигатель. Известно, что применение асинхронных двигателей повышает надежность электропривода, а также снижает капитальные затраты и эксплуатационные расходы.

Описание насосного  оборудования.

На насосной станции второго  подъема для повышения надежности установлены два центробежных насоса типа 1Д315-71.

Насосы центробежные двустороннего  входа типа Д предназначены для  перекачивания воды и других жидкостей, имеющих сходные с водой свойства по вязкости до 36*10-6 м2/с (36сСт) и химической активности, температурой от 274 до 358К (от 1 до 85°С), не содержащих твердых включений по массе более 0,05%, размеру более 0,2 мм и микротвердостью более 6,5 Гпа (650кгс/мм2).

Насосы относятся к изделиям общего назначения вида I (восстанавливаемые)

ГОСТ 27.003-90. Насосы изготавливаются  в климатическом исполнении УХЛ  категории размещения 3.1 и климатическом  исполнении Т категории размещения 2 по ГОСТ 15150-69.

Насосы (агрегаты) не предназначены  для эксплуатации во взрыво и пожароопасных  помещениях.

Общие требования безопасности насосов  и агрегатов соответствуют 

ГОСТ Р52743.

Условное обозначение насоса:

Насос (агрегат) 1Д315-71 УХЛ3.1 ТУ26-06-1510-88 1.

Где 1 – первая модернизация;

Д – двустороннего входа;

315 – подача, м3/ч;

71 – напор, м;

УХЛ или Т – климатическое исполнение;

3.1 или 2- категория размещения;

В табл. 4.1. приведены номинальные  данные насоса.

 

 Таблица 4.1. - Номинальные данные центробежного насоса 1Д315-71.

Параметр	Обозначение	Значение	Ед. измерения
Подача	Q	315 (0,087)	м3/час (м3/с)
Напор	H	71,00	м
Частота вращения	n	1450 (24.2)	об/мин (сек-1)
Максимальная потребляемая мощность	N	97,00	кВт
Допускаемый кавитационный  запас	∆H	6,5	м, не менее
Масса насоса	m	450	кг
КПД	hн	83	%
Момент инерции	Jн	1.91	кгм2