ВКР БАКАЛАВРА НОВИКОВОЙ МАРИНЫ ВИКТОРОВНЫ (1235546), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Рисунок 3.4 - Изменение КПД насосного агрегата с частотным регулированием при изменении производительности

Анализ требуемого изменения частоты насосного агрегата при изменении расхода в сети показывает, что с уменьшением расхода требуется снижение частоты вращения. Если рассмотреть работу агрегата для расхода меньше номинального (вертикальные линии А и В), то для этих режимов рационально работать на пониженной частоте вращения. В этом случае КПД насоса выше, чем при работе на номинальной частоте вращения. Таким образом, снижение частоты вращения в соответствии с технологической нагрузкой позволяет не только экономить потребляемую энергию на исключении гидравлических потерь, но и получить экономический эффект за счет повышения коэффициента полезного действия самого насоса — преобразования механической энергии в гидравлическую.

В ходе наблюдения и мониторинга информации со станций, на которых уже установлена система частотного регулирования электроприводом, было выяснено, что регулирование совместной работы насосов по своим показателям равноценно регулированию скорости насоса при его одиночной работе. С точки зрения экономического регулирования несколько более выгодным является одновременное изменение частоты вращения всех параллельно работающих насосов. Однако это связано с увеличением дополнительных капитальных затрат на оснащение всех агрегатов регулируемым электроприводом. Поэтому для большинства насосных станций достаточно иметь только один регулируемый аппарат и осуществлять более глубокое регулирование отключением отдельных насосов. Поэтому, учитывая и ещё экономическую выгоду, на станции ЦНФС-1 я буду модернизировать управление только одним двигателем.

3.2 Достоинства и недостатки метода

Частотно-регулируемый электропривод имеет ряд достоинств, а именно:

• устраняется необходимость в регулирующих клапанах, которые неэффективно использовать для снижения расхода воды, и нет нужды недогружать насосы, что происходит, если они работают с постоянной скоростью;

• производится плавный запуск, помогающий избегать пиков давления и следующей отсюда излишней нагрузки на выходные трубы. Это значительно снижает риск повреждений и утечки, а также внезапных колебаний давления, которые вызывают вибрацию труб, которая, в свою очередь вызывает звуки, похожие на отбивку молотком и называющиеся обычно «трамбовкой». Такое явление, как интенсивная трамбовка может вызвать разрыв труб, и так же, внезапное понижение давления в трубах может, наоборот, вызвать изгиб и необратимые повреждения. Следует отметить, что постепенная, а не внезапная остановка насосов к тому же предотвращает вредные для труб пики давления. Более того, она снижает износ подшипников и редукторов насоса. С помощью настройки длительности разгона и торможения можно оптимизировать процесс запуска и останова насоса;

• высокий коэффициент мощности (cos φ) помогает снизить затраты на потребляемую электроэнергию;

• сравнительно небольшие затраты на техобслуживание ЧП, так как он, в отличие от дроссельных заслонок или других механизмов регулирования напора, состоит из статических элементов. При использовании инвертора все проблемы, связанные с передаточными механизмами, серво-регулирующими клапанами, гидравлическими муфтами, сборниками и пр., устраняются;

• за счет ликвидации токовых пиков при запуске отпадает необходимость в электрических кабелях большого сечения, в то время как двигатели с прямым подключением к сети питания поглощают во время пуска ток, в 6-7 раз превышающий номинальное значение;

• энергосбережение. Насосные установки отличаются большими энергетическими затратами, которые могут быть существенно снижены за счёт применения регулирования скорости вращения в зависимости от величины водной нагрузки;

• возможность дистанционного управления и мониторинга состояния системы.

В свою очередь, основным недостатком данного метода является высокая стоимость частотного преобразователя, окупаемость модернизации в течение нескольких лет.

К недостаткам метода отнесем высокую стоимость частотного преобразователя.

3.3 Частотно-регулируемый привод

Частотно-регулируемый привод (частотно-управляемый привод, ЧУП, Variable requency Drive) — система управления частотой вращения ротора асинхронного (синхронного) электродвигателя. Состоит из электродвигателя и частотного преобразователя.

Преобразователь частоты (частотный преобразователь) — это устройство состоящее из выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный и инвертора (преобразователя) (иногда с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный требуемых частоты и амплитуды. Выходные тиристоры (GTO) или IGBT обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя. Для исключения перегрузки преобразователя при большой длине фидера между преобразователем и фидером ставят дроссели, а для уменьшения электромагнитных помех — EMC-фильтр. При скалярном управлении приводом формируются гармонические токи фаз двигателя. Векторное управление — метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора (моментом на валу двигателя).

3.4 Устройство частотных преобразователей Altivar1200

Конструктивные особенности частотного преобразователя Altivar1200

• компактность. Благодаря размещению преобразователя частоты в одном шкафу, его габаритные размеры на 30% меньше по сравнению со стандартной компоновкой преобразователей частоты среднего напряжения;

• преобразователь частоты одностороннего обслуживания, что позволяет устанавливать его вплотную к конструкциям и значительно облегчает доступ к секции управления, трансформатору и инверторным ячейкам;

• сертифицированный шкаф со степенями защиты IP31, IP41 и IP42. Степень защиты обеспечивается с учетом расположенных на крыше шкафа вентиляторов охлаждения.

Основным компонентом преобразователя частоты Altivar 1200 является ячейка инвертора, изображена на рисунке 3.5, представляющая собой однофазный двухуровневый инвертор напряжения, получающий питание от одной из вторичных обмоток многообмоточного силового трансформатора. Напряжение вторичной обмотки трансформатора - 700 В.[3]

Формирование кривой выходного напряжения осуществляется последовательным соединением двухуровневых инверторных ячеек, созданных на низковольтных IGBT- транзисторах, обладающих высокой надежностью и широко используемых в промышленности. Благодаря модульной конструкции замена ячейки инвертора занимает несколько минут.

Рисунок 3.5 – Инверторная ячейка

Огромное преимущество многоуровневой топологии заключается в использовании в качестве переключающих элементов современных низковольтных электронных компонентов. Кривая выходного напряжения формируется последовательным соединением двухуровневых инверторных ячеек (рисунок 3.6). Количество используемых ячеек определяется необходимым напряжением на выходе преобразователя частоты. Большое количество ячеек обеспечивает маленький «шаг» результирующей кривой напряжения, и, как следствие, отсутствие негативного влияния на обмотки двигателя. Смещение вторичных обмоток трансформатора позволяет получить эквивалент многопульсной схемы выпрямления и синусоидальную кривую тока, потребляемого из сети.

Рисунок 3.6 - Кривые напряжения и тока на выходе преобразователя частоты

3.5 Методы управления двигателем

Существуют различные методы частотного управления, которые позволяют решить различные задачи при регулировке скорости и изменения момента, среди которых два основных метода — векторный и скалярный.

Первый метод управления — скалярный. Область применения данного метода - приводы насосов и вентиляторов. Кроме этого, частотные преобразователи со скалярным методом управления используют там, где важно поддерживать определенный технологический параметр. Им может быть, например, давление в трубопроводе. Изменение амплитуды, а также частоты питающего напряжения выступает в качестве основного принципа, на котором основывается данный метод. При этом используется закон .

Наибольший диапазон для регулирования скорости составляет 1:10. Дополнительные особенности скалярного метода заключаются в легкости при реализации. Существует также и недостаток, который заключается в том, что нет возможности точно регулировать скорость вращения вала. Еще одна особенность — на валу двигателя частотный преобразователь со скалярным управлением не дает возможности контролировать момент.

Второй метод, используемый в частотных преобразователях — векторный. Это такой метод управления синхронными и асинхронными двигателями, при котором формируются не только гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивается управление магнитным потоком ротора, а именно, моментом на валу электродвигателя. Векторное управление применяется в случае, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования частоты при номинальных моментах.

Преимуществами векторного метода управления является быстрота реакции относительно изменения нагрузки, а в области малых частот вращение двигателя характеризуется плавностью, отсутствием рывков. Если имеется датчик скорости, то обеспечивается нулевой момент на валу при условии нулевой скорости. Регулировка скорости выполняется при достижении высокой точности.

В скалярных преобразователях частоты объектом контроля и управления является только магнитное поле статора, то в векторных моделях объектом контроля и управления является и магнитное поле статора, и ротора, а точнее - их взаимодействие с целью оптимизации момента вращения на различных скоростях. Когда применяется скалярный метод управления - используется выходная частота и ток частотного преобразователя, а в случае с векторным управлением - выходная частота, ток и его фаза [4].

4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

4.1 Техническое задание

Необходимо модернизировать существующую Центральную насосно-фильтровальную станцию (ЦНФС-1 г. Хабаровск). Проект представляет собой внедрение системы частотного регулирования скорости вращения синхронным двигателем: автоматическое управление электроприводом насоса.

Станция автоматического управления электроприводом (СУ) предназначена для управления преобразователем частоты и насосом с целью поддержания подачи воды в зависимости от расхода воды в данный момент времени из головных очистных сооружений водоснабжения (ГОСВ).

4.2 Технологическая схема насосной станции

На чертеже БР 13.03.02.025 Э11 представлена схема трубопроводов насосно-фильтровальной станции ЦНФС-1.

Вода поступает из реки Амур (р. Амур) в резервуар забора воды (РЗВ) по трубам диаметром 1200 мм на всасе. Далее вода из РЗВ по магистральным трубам поступает непосредственно в головные очистные сооружения водоснабжения. Расход воды учитывается расходомерами. На схеме можно заметить, что от РЗВ к ГОСВ ведет несколько не зависящих друг от друга трубопроводов. Это сделано для повышения надежности. То есть, если на одном из трубопроводов произойдет авария, то вода будет протекать по другой трубе, без долгосрочной остановки насосной станции. Также, на схеме обозначены задвижки секционные. Если в одной магистральной трубе произойдет пробой или разрыв, то перекрывая секционную задвижку, можно производить ремонт этой трубы.

4.3 Функции системы управления

Станция автоматического управления должна обеспечивать следующие функции:

• аварийный останов двигателей;

• выбор рабочего и резервного насосов;

• выбор режима управления – ручное/автоматическое;

• команда пуск/останов насосов в автоматическом и ручном режимах;

• индикация работы каждого из насосов;

• индикация аварии преобразователя частоты.

4.4 Выбор оборудования

4.4.1 Требования к электроприводу и выбор системы

Качество электропривода в основном зависит от его системы управления. Современные регулируемые электроприводы управляются в большинстве случаев по замкнутому принципу. Замкнутые системы управления электроприводами образуются за счет введения обратных связей по какому – либо параметру для того, чтобы поддерживать определенное соотношение между входной и выходной величинами при наличии возмущающих воздействий, например, при изменении нагрузки. Применение обратных связей в электроприводах позволяет значительно увеличить диапазон регулирования скорости, повысить жесткость механических характеристик, сохранить перегрузочную способность двигателя при регулировании скорости, улучшить качество переходных процессов.

Характеристики

Список файлов ВКР