Автоматизированный электропривод

 

Насосы относятся к тем механизмам, в которых нельзя точно сказать какая нагрузка будет на валу двигателя в данный момент времени. Если рассматривать работу насосов статистически, то большую часть времени потребление воды будет небольшим, соответственно система регулирования снизит скорость насосов настолько, чтоб напор держался постоянным. Ввиду этого потребление мощности из сети будет небольшим, но вполне возможны и такие случаи, при которых потребление и, следовательно, скорость будут высоки. Поэтому двигатели следует выбирать под номинальные параметры насоса.

Рассчитаем мощность на валу двигателя  по формуле из [ 15  ]

. (4.1.)

Здесь

g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения;

r = 1000 кг/м³ – плотность воды;

Q_н.N = 0,087 – номинальная производительность насоса, м³/с;

H_н.N – номинальный напор насоса, м;

ΔH = 6,5 – кавитационный запас, м;

h_н.N=0,83 – номинальный КПД насоса.

Следовательно двигатели, установленные на насосной станции  должны иметь номинальную мощность больше 79,69 кВт. По характеристикам подберем  асинхронный двигатель из рекомендуемых производителем насоса [10 ].

По рекомендации изготовителя нассоса и расчитаной мощности выбираем асинхронный двигатель мощностью 110 кВт  серии 5АМ [11] 5AM280S4, номинальные данные приведены в табл. 4.2.

 

 

 

 

 Таблица 4.2. - Номинальные данные асинхронного двигателя 5АМ280S4 У3

Тип двигателя	Номинальная мощность, кВт	Номинальная частота вращения, об/мин	Коэффициент полезного действия, %	Коэффициент мощности	Номинальный ток при 380 В, А	Номинальный момент, Нм	Индекс механической характеристики	Отношение пускового момента к номинальному моменту	Отношение пускового тока к номинальному току	Отношение максимального момента к номинальному моменту	Динамический момент инерции ротора, кгм2	Масса, кг
5AM280S4	110	1455	95,1	0,87	202	707	II	2,1	6,4	2,4	2,19	742

 

 

Внешний вид  двигателя 5АМ280S4 У3 показан на рис. 4.1

Рис. 4.1 - Асинхронный двигатель 5АМ280S4 У3.

В подобных системах использование  насосной установки только для повышения  напора недостаточно. Установка должна обеспечивать регулирование давления в водонапорной сети, с целью понижения энергетических затрат, расхода воды, а также минимизировать количество и габаритов, используемой аппаратуры водоснабжения.

4.2.  Выбор преобразовательного устройства

Функцию преобразования параметров электрической энергии  питающей сети к таким значениям, которые необходимы для нормальной работы приводного двигателя, а также  функцию преобразования величины электрической  энергии, подводимой к двигателю  для регулирования его скорости и выполняет преобразовательное устройство. Как было рассмотрено выше (раздел 3), в качестве преобразовательного устройство принят преобразователь частоты, на базе автономного инвертора напряжения на IGBT-транзисторах со скалярной ШИМ-модуляцией.

При выборе преобразователя  частоты необходимо руководствоваться  следующими основными требованиями:

-    высокая надежность  при любых режимах работы;

• простота системы управления без ухудшения основных параметров выходного тока,   напряжения и функциональных возможностей ПЧ;
• минимально возможная стоимость преобразователя в диапазоне мощностей до 110 кВА.

В качестве преобразователя электроэнергии выбираем транзисторный преобразователь  частоты 3G3HV-B11K японской фирмы OMRON [12].

Мощный инвертор широкого назначения 3G3HV является легко обслуживаемым прибором, имеющим расширенные функциональные возможности, такие как Пропорционально-Интегрально-Дифференциальное (ПИД) регулирование и работа в режиме энергосбережения.

По своей силовой схеме это  двухзвенный преобразователь типа неуправляемый выпрямитель – автономный инвертор напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Силовая часть АИН построена на транзисторных модулях, в своей основе содержащих транзисторы типа IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором). Преобразователь имеет микропроцессорную систему управления, и предназначен для управления асинхронным двигателем мощностью до 130 кВт. Линейное напряжение питания привода с таким преобразователем 380 В. Система управления преобразователем содержит встроенный пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор, параметры которого вводятся с цифрового пульта управления. Введя необходимые параметры можно настроить этот регулятор для регулирования давления в водопроводной магистрали. Задание давления, и величину обратной связи можно осуществлять в аналоговом виде, используя многофункциональные аналоговые входы. Также преобразователь позволяет обеспечить плавный разгон и торможение двигателя по заданным временам пуска и торможения. Встроенные модули защит содержат максимально-токовую защиту двигателей, защиту от перегрузки схемы по напряжению, защиту от перегрева транзисторов, защиту от перегрузки двигателя и другие виды защит.

Таблица 4.3. - Номинальные данные на преобразователь.

Напряжение, В		220/380
Частота, Гц		50/60
Номинальная мощность, кВт		130
КПД		90 %
Сопротивление заземления не более, Ом		10
Параметры аналоговых входов	Напряжение, В	0..10 пост. тока
	Ток, мА	4..20
Максимальная длина кабеля между  преобразователем и двигателем, м		100

 

 

 

Рис. 4.2 - Преобразователь частоты 3G3HV-B11K японской фирмы OMRON.

 

В таблице 4.3 приведены основные характеристики преобразователя частоты 3G3HV-B11K.

Преобразователь обеспечивает следующие режимы работы и управления приводных машин и механизмов:

• плавный пуск;
• длительную работу в заданном диапазоне частот вращения и нагрузок;
• реверсирование движения;
• торможение и останов;
• защиту электрического и механического оборудования в аварийных и нештатных режимах.

Эффективность применения данного электропривода обусловлена:

• высоким качеством статических и динамических характеристик;
• высокими энергетическими показателями;
• гибкой настройкой рабочих параметров и режимов;
• развитым интерфейсом и адаптивностью к различным внешним системам управления и автоматизации, в том числе высокого уровня;
• высокой монтажно-наладочной готовностью;
• простотой и удобством управления и обслуживания в эксплуатации.

 

 

 

 

 
4.3. Выбор датчика давления

Датчики давления разрабатываются  рядом известных фирм. В дипломном  проекте выбран датчик давления фирмы «Metran»[13] :

Рис 4.4 - Внешний вид датчиков давления Metran-100

Датчики давления Метран-100 предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования  и управления и обеспечивают непрерывное преобразования давления в унифицированный аналоговый сигнал.

Выбор датчика осуществим исходя из рабочего давления насоса Н_ном=65м = 6,5 атм., тогда максимально высокое рабочее давление равно

 

Р_макс= к× Н_ном= 1,2×6,5= 7.8 атм.   (4.3)

 

Выбираем датчик с ближайшим большим рабочим давлением Метран-100-ДИ

Датчики давления серии  Метран-100 предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное  преобразование в унифицированный токовый и/или цифровой на базе HART-протокола выходной сигнал дистанционной передачи следующих измеряемых величин:

избыточного давления - Метран-100-ДИ;

Измерение среды: жидкости, пар, газ, в том числе, газообразный кислород и кислородосодержащие газовые смеси.

Диапазоны измеряемых давлений:

минимальный 0-0,04 кПа;

максимальный 0-100 МПа; 

Основная погрешность: ±0,1%, ±0,15%, ±0,25%, ±0,5%;

Степень защиты от пыли и  воды IР65.

Выходные сигналы: 

аналоговый сигнал постоянного  тока 4-20 мА, 0-5мА, 0-20мА. Для датчиков исполнения Ех - только 4-20 мА;

аналоговый сигнал постоянного  тока 4-20 мА, с наложенным цифровым сигналом в стандарте HART;

Возможности датчика:

контроль текущего значения измеряемого давления;

контроль и настройка  параметров датчика;

установка "нуля";

выбор системы и настройка  единиц измерения;

настройка времени усреднения выходного сигнала (демпфирование);

перенастройка диапазонов измерения, в том числе на нестандартный (25:1, 16:1, 10:1);

настройка на "смещенный" диапазон измерения;

выбор зависимости выходного  сигнала от входной величины: (линейно-возрастающая, линейно-убывающая, пропорциональная корню квадратному перепада давления);

калибровка датчика;

непрерывная самодиагностика;

тестирование и управление параметрами датчика на расстояниии;

защита настроек от несанкционированного доступа;

Межповерочный интервал - 3 года;

Гарантийный срок эксплуатации - 3 года.

Общий вид датчика  давления Метран-100-Ди представлен на рис. 4.7.

 

Рис. 4.5 - Общий вид датчика давления Метран-100-Ди.

 

4.4. Расчет и выбор кабеля питания

Расчет необходимого сечения кабеля питания всей установки  проведем по допустимому току с дальнейшей проверкой на падения напряжения.

Сечение проводов и кабелей напряжением  до 1000 В по условию нагрева выбирается в зависимости от длительно допустимой токовой нагрузки. Выбор сечения производится по условию нагрева длительным расчетным током

где I_Р – расчетный ток нагрузки, который равен переменному току, потребляемому установкой:

 

  - длительно-допустимый ток на провода, кабели и шинопроводы;

k1=1 – поправочный коэффициент  на условия прокладки проводов  и кабелей (табл. 32, [8]);

k2=0.85 - поправочный коэффициент  на число работающих кабелей, лежащих рядом в земле в трубах или без труб (табл. 33, [18]).

 

Выбираем сечение жилы 95 мм2  для тока I_Н.ДОП =255 А (табл. 25, [18]).

Проверим провод на падение  напряжения исходя из того что линия  в 3 провода длинной 100м.

,

где - проводимость меди,

- удельное сопротивление меди.

и составляет 3.75 % от напряжения питания, что является допустимым для  данной системы. Выбираем кабель четырехжильный гибкий марки FG7R-0.6/1 3х95 мм²+ 1х50 мм² [19].

 Структура кабеля:

- проводник: медный  многопроволочный, класс гибкости 5;

• изоляция жил: этилпропиленовая резина;
• наполнитель: неволокнистый негигроскопичный материал неподдерживающий горение, с низким выделением коррозионных газов;
• внешняя изоляция: ПВХ пластикат RZ неподдерживающий горение, с низким выделением коррозионных газов.

Технические характеристики:

- номинальное напряжение: 0,6/1 кВ;

• рабочая температура: до 90°С;
• температура короткого замыкания: 250°С;

-минимальная температура инсталляции: 0°С

Применение:

- неподвижный монтаж  внутри и вне помещений (в  т.ч. и незащищенный), прокладка (в т.ч. и незащищенная) в земле

Особые характеристики: хорошая сопротивляемость воздействию индустриальных масел

Цвет внешней изоляции:  серый.

 

4.5. Выбор аппаратов защиты

В качестве аппаратов  защиты электроустановок применяются  плавкие предохранители или автоматические выключатели с встроенными тепловыми (для защиты от перегрузок) и электромагнитными (для защиты от токов короткого замыкания) расцепителями.

Выбор автоматического  выключателя производят по номинальному току, а настройку тока установки  соответствующего расцепителя производят по допустимым токам перегрузки (1,2Ін) и короткого замыкания (2Ін).

Выбираем автоматический выключатель с электронным расцепителем типа TeamBreak XS400SE-C 250A фирмы TERASAKI [20], со следующими техническими характеристиками: