2020-08-05
61
Методические указания по выполнению учебного проекта автоматизированного электропривода насоса
Задание на проектирование
Требуется спроектировать электропривод насоса Н откачки химического продукта из емкости Е1 в емкость Е2 (рис. 1). Уровень вещества в емкости Е1 необходимо поддерживать на высоте h зад, при этом статическая ошибка регулирования уровня Δ должна быть 0,5 %. Исходные данные сведены в табл.1, 2.
Рис. 1
*QH – характеристики насосов приведены в книге: Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник.– Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой, -Т.1. - 2002.
Курсовая работа по электроприводу насоса в общем случае может состоять из следующих последовательно выполняемых разделов:
Введение
1. Анализ технологического процесса и перекачиваемого продукта.
2. Разработка требований к электроприводу насоса.
3. Построение характеристик насосной установки.
4. Выбор системы электропривода насоса.
5. Выбор электродвигателя.
6. Выбор полупроводникового преобразователя.
7. Синтез регулятора уровня.
8. Разработка принципиальной схемы силовой части электропривода и выбор аппаратов защиты и управления электропривода
Заключение
Список литературы.
Графическая часть курсовой работы включает в себя 1 лист формата А1, на котором вычерчена принципиальная схема
Задание на проектирование выдается студенту путем указания одного из номеров варианта задания, приведенных в табл. 1.
Таблица 1. Исходные данные к проектированию
| № п/п | Химический продукт | Диаметр емкости Е1 D, м | Стати-ческий напор Нст, м | h зад, м | Типоразмер насоса | Подача, м3/ч | Напор, м | Частота вращения, об./мин | КПД насоса, % |
| 1 | Бутан | 3 | 5 | 4 | Х50-32-125-Д | 12,5 | 20 | 2900 | 50 |
| 2 | Пентан | 6 | 10 | 5 | Х(О)80-50-250-И | 50 | 65 | 2900 | 64 |
| 3 | Изобутан | 6,5 | 8 | 6 | Х100-80-160-Д | 100 | 32 | 2900 | 70 |
| 4 | Гексан | 5,5 | 12 | 5 | Х(О)100-65-200-К | 100 | 50 | 2900 | 72 |
| 5 | Изопентан | 5 | 15 | 6 | Х100-65-250-М | 100 | 80 | 2900 | 67 |
| 6 | Бутилен | 4,5 | 10 | 7 | АХ100-65-400-А | 50 | 50 | 1450 | 40 |
| 7 | Пропан | 4,7 | 5 | 5 | АХ125-80-250-К | 80 | 20 | 1450 | 60 |
| 8 | Бензин | 4,8 | 5 | 3 | АХ125-100-315-А | 125 | 32 | 1450 | 60 |
| 9 | Вода | 4,6 | 8 | 4 | АХ125-100-400-Е | 125 | 50 | 1450 | 58 |
| 10 | Бутан | 4,5 | 20 | 5 | Х50-32-250-А | 12,5 | 88 | 2900 | 27 |
| 11 | Пентан | 5,5 | 8 | 6,5 | АХ125-100-400-Е | 125 | 32 | 1450 | 58 |
| 12 | Изобутан | 5,4 | 15 | 6 | Х50-32-250-К | 12,5 | 65 | 2900 | 29 |
| 13 | Гексан | 5,3 | 3 | 7 | Х100-80-160-Д | 100 | 25 | 2900 | 70 |
| 14 | Изопентан | 5,2 | 6 | 5 | Х(О)100-65-200-К | 100 | 39 | 2900 | 72 |
| 15 | Бутилен | 5,1 | 9 | 5,5 | Х(О)100-65-250-М | 100 | 66 | 2900 | 67 |
| 16 | Пропан | 5 | 6 | 8 | АХ100-65-400-А | 50 | 38 | 1450 | 40 |
| 17 | Бензин | 3,9 | 7 | 6 | АХ200-150-400-Е | 315 | 50 | 1450 | 69 |
| 18 | Вода | 3,8 | 3 | 3,5 | АХ(О)50-32-160-А | 12,5 | 32 | 2900 | 42 |
| 19 | Бутан | 4,1 | 5 | 5 | АХ250-200-315-Е | 500 | 17 | 1450 | 68 |
| 20 | Пентан | 4,2 | 8 | 7 | АХ125-100-400-Е | 125 | 40 | 1450 | 58 |
| 21 | Изобутан | 4 | 6 | 7 | АХ125-100-315-А | 125 | 21 | 1450 | 60 |
| 22 | Гексан | 4,3 | 5 | 4 | Х65-50-160- Т | 25 | 32 | 2900 | 60 |
| 23 | Изопентан | 4,5 | 5 | 4 | Х100-80-160-Л | 100 | 32 | 2900 | 70 |
| 24 | Бутилен | 4,7 | 6 | 4 | АХ100-65-400-А | 50 | 32 | 1450 | 40 |
| 25 | Пропан | 4,9 | 10 | 6 | Х80-50-200- Д | 50 | 50 | 2900 | 64 |
| 26 | Бензин | 5,1 | 4 | 6 | Х80-50-200- Д | 50 | 38 | 2900 | 64 |
| 27 | Вода | 5,5 | 10 | 7 | Х80-50-200- Т | 50 | 50 | 2900 | 70 |
| 28 | Бутан | 5,7 | 3 | 8 | АХ125-80-250-К | 80 | 12 | 1450 | 60 |
| 29 | Пентан | 6 | 6 | 4 | Х80-50-200- Д | 50 | 36 | 2900 | 70 |
| 30 | Вода | 5,3 | 5 | 5 | Х80-50-250-Е | 50 | 80 | 2900 | 64 |
| 31 | Бензин | 7 | 3 | 5 | АХ200-150-400-Е | 315 | 28 | 1450 | 69 |
| 32 | Пентан | 8 | 4 | 3 | АХ250-200-315-Е | 500 | 37 | 1450 | 68 |
| 33 | Гексан | 3 | 4 | 4 | АХ65-50-160-К | 25 | 32 | 2900 | 52 |
| 34 | Бутан | 4 | 2 | 5 | АХ65-50-160-К | 25 | 26 | 2900 | 52 |
| 35 | Изобутан | 6 | 4 | 4 | АХ250-200-315-Е | 500 | 25 | 1450 | 68 |
Методические рекомендации
Разработка требований к электроприводу насоса. Получив задание, необходимо внимательно разобраться в исходной информации, проанализировать и сформулировать требования к электроприводу данной технологической установки. В частности, должны быть определены требуемые статические и динамические режимы работы, а также требования к необходимым видам защиты электропривода насоса. Именно удовлетворение этих требований определит в конечном итоге тип проектируемого электропривода и состав компонентов этой системы.
Построение характеристик насосной установки при частотном регулировании. Характеристики насосной установки строятся для того, чтобы определить точки установившегося режима (УР) работы в заданном диапазоне регулирования скорости.
Установившийся режим работы насоса при постоянной скорости чаще всего определяется графическим способом. При этом необходимо найти точку пересечения соответствующей Q-H – характеристики насоса и характеристики магистрали, подключенной к насосу (рис.2).
Рис. 2
Характеристику магистрали строят по уравнению
, (1)
где 
– напор в магистрали, м; 
- статический напор магистрали, м; R – гидравлическое сопротивление, с2/м5; Q – подача насоса, м3/с.
Гидравлическое сопротивление линии R определяют, используя номинальные данные насоса:
. (2)
Q –H -характеристики для скорости, отличной от номинальной, получают с помощью уравнений пропорциональности [1]:
. (3)
Для этого задается ряд значений Qi, которым соответствует значение Нi номинальной характеристики насоса с 
. В соответствии с (3) рассчитывают параболы 
, проходящие через выбранные точки (Н 1, Н 2, Н 3) на исходной характеристике. Каждой точке параболы согласно (8.3) соответствует определенная скорость механизма 
. Соединяя точки парабол с одинаковым значением 
, определяют Q -H – характеристику для 
.
На рис. 2 точки 
, 
соответствуют установившемуся режиму работы в диапазоне 
.
Выбор типа электропривода насоса. Выбор рациональной структуры электропривода зависит от требований со стороны технологической установки к регулированию момента и скорости, от условий эксплуатации, экономических и массогабаритных показателей, вариантов конструктивного исполнения, стоимости эксплуатации. Рациональные структуры систем электропривода могут отличаться сложностью, составом аппаратной и элементной базы.
В качестве регулируемого электропривода для насосных механизмов в настоящее время используются:
- асинхронный вентильный каскад на базе асинхронного двигателя с фазным ротором и тиристорного преобразователя – АВК;
- вентильный двигатель (бесщеточный двигатель постоянного тока с полупроводниковым коммутатором) на базе синхронной машины – ВД;
- система ТРН-АД с регулятором напряжения на статоре;
- частотно-регулируемый асинхронный привод - ПЧ-АД;
Рекомендуется данные системы проанализировать с точки зрения использования в предлагаемой технологической установке, обратив внимание на следующие особенности.
Достоинством электропривода с рекуперацией энергии скольжения (АВК) является то, что мощность преобразователя, включенного в цепь ротора, пропорциональна мощности асинхронного двигателя и диапазону регулирования его скорости. Это свойство электропривода определяет целесообразность его использования для насосов большой мощности при неглубоком регулировании скорости. К недостаткам этих систем следует отнести необходимость применения дополнительных пусковых устройств и низкий 
вентильных каскадов.
Вентильные двигатели на базе высоковольтной синхронной машины, используемые для насосов большой мощности, позволяют поддерживать 
, а также обеспечивать двухзонное регулирование скорости. Максимальное значение скорости в этих случаях определяется предельной частотой преобразователя и допустимой скоростью двигателей.
Системы ТРН-АД широко используются для управления специальными пускотормозными режимами кратковременного снижения скорости, энергосбережения при заметных недогрузках привода, когда статический момент 
. При этом такие системы используют лишь одну управляемую координату асинхронного двигателя – напряжение – при постоянной частоте питания и, следовательно, при постоянной скорости идеального холостого хода. Это положение определяет повышенные потери в асинхронном двигателе на регулировочных характеристиках при любых сочетаниях текущих значений скорости и момента по сравнению с частотно-управляемым электроприводом, так как тепловые потери и нагрев асинхронного двигателя пропорциональны скольжению.
Рассмотрев возможности каждой системы регулируемого электропривода, необходимо выбрать наиболее подходящую для решения задачи поддержания заданного уровня вещества в емкости.
Следует показать, что в рассматриваемой технологической установке применение частотно-регулируемого электропривода с преобразователем частоты обеспечивает наиболее эффективный способ регулирования скорости насоса.
Рис. 3
Далее следует изобразить функциональную схему предложенного электропривода. На рис. 3 приведена типичная функциональная схема электропривода насоса Н с регулятором уровня. Привод состоит из преобразователя частоты ПЧ и асинхронного короткозамкнутого двигателя М. Система управления ПЧ в своем составе содержит регулятор уровня РУ. Отличительной особенностью данной схемы является то, что она не замкнута по скорости, а имеет отрицательную обратную связь по уровню, организованную с помощью датчика уровня ДУ. Основное задание на скорость двигателя насоса подается в зависимости от уровня жидкости в емкости, а корректировка скорости осуществляется с помощью отрицательной обратной связи по уровню.
Выбор электродвигателя. Мощность, развиваемая насосом, определяется по формуле
, кВт, (4)
где Q – подача насоса, м3/с; H – напор, м.вод.ст.; 
– плотность жидкости, кг/м3; 
– КПД насоса.
По расчетной мощности насоса с учетом скорости рабочего колеса 
, об/мин, выбираем электродвигатель из условия:
;
,
где P дв.н – номинальная мощность электродвигателя; К з = 1,05 ÷ 1,2 – коэффициент запаса, учитывающий неточности расчета сил сопротивления.
Выбор полупроводникового преобразователя. Выбор силового преобразователя осуществляется с учетом сочетания технологических требований, условий эксплуатации, характеристик привода и функций, реализуемых конкретным преобразователем частоты.
Известно, что в зависимости от мощности и технических требований в частотно-регулируемом электроприводе используется один из трех типов статических преобразователей частоты:
- непосредственный преобразователь частоты;
- двухзвенный преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения;
- двухзвенный преобразователь частоты с автономным инвертором тока.
Рассмотрев особенности существующих типов преобразователей частоты, устройство, принцип их работы и управления, необходимо выбрать по каталогам фирм – производителей требуемый, указав его технические характеристики. Целесообразно первоначальный выбор преобразователя частоты начинать с изучения рекомендаций, даваемых фирмой – изготовителем, в части областей возможного применения данного преобразователя. Далее следует произвести анализ характеристик привода, получаемых с данным преобразователем, основными из которых являются:
- диапазон изменения выходной частоты;
- частота коммутации (несущая частота ШИМ);
- диапазон регулирования скорости;
- перегрузка по току и моменту;
- закон управления «напряжение/частота»;
- тип регулятора;
- способы торможения электропривода;
- профиль кривых разгона и торможения.
Выбор основных параметров преобразователя частоты осуществляется по мощности и номинальному току двигателя с учетом необходимости обеспечения требуемых перегрузок электродвигателя. При выборе следует также обращать внимание на способ вентиляции двигателя и возможное конструктивное исполнение преобразователя.
Синтез регулятора уровня. Технологическое требование поддержания постоянного уровня определяет необходимость использования замкнутой системы электропривода с регулятором уровня. При синтезе регулятора важно учитывать требования по точности и быстродействию регулирования.
На основе функциональной схемы электропривода насоса разрабатывается и описывается структурная схема замкнутой системы, состоящая из типовых динамических звеньев.
Любая структурная схема является вариантом математической модели системы. Поэтому при составлении схемы важно обосновать и перечислить принимаемые допущения. Например, в рассматриваемом случае будем использовать следующие допущения.
Механическая часть электропривода насоса представляется как одномассовая система (механическая связь между двигателем и насосом принята абсолютно жесткой). Суммарный момент инерции привода определяется как сумма моментов инерции двигателя и насоса.
Асинхронный двигатель представляется с позиций теории обобщенных машин, при этом принимаются следующие традиционные допущения: синусоидальное распределение МДС обмоток, равномерный воздушный зазор, ненасыщенная магнитная цепь машины и пр. Кроме того, при описании динамических свойств используется принцип линеаризации уравнения механической характеристики.
При описании преобразователя частоты предполагается, что процесс формирования квазисинусоидальных напряжений заданной частоты практически безынерционный.
Датчик технологического параметра (уровня) представляется линейным безынерционным звеном.
При сделанных допущениях структурная схема рассматриваемой замкнутой системы регулирования уровня имеет вид, как на рис. 4.
Рис. 4
Здесь 
- передаточная функция регулятора уровня, определяемая в результате синтеза; 
- передаточная функция преобразователя частоты; 
- передаточная функция асинхронного двигателя.
В инженерных расчетах передаточную функцию преобразователя частоты 
с достаточной для практических расчетов точностью можно представить усилительным звеном:
.
Коэффициент усиления преобразователя частоты 
определяется по формуле
, (5)
где 
- номинальное значение линейного напряжения на выходе преобразователя частоты; 
- напряжение управления преобразователем частоты.
Передаточная функция 
может быть получена, если структурную схему асинхронного двигателя представить в виде следующих динамических звеньев, представленных на рис. 5.
Рис. 5
Здесь f – частота питающего напряжения; 
– число пар полюсов; 
– угловая скорость вращения магнитного поля статора; 
– угловая скорость вращения ротора двигателя; β – модуль жесткости линеаризованной механической характеристики асинхронного двигателя; 
– электромагнитная постоянная времени асинхронного двигателя; 
– механическая постоянная времени.
Модуль жесткости определяется по формуле
, (6)
где 
– критический момент двигателя; 
– критическое скольжение.
Электромагнитная и механическая постоянные времени определяются по формулам:
, (7)
где 
– номинальная скорость вращения магнитного поля статора;
, (8)
где 
- суммарный момент инерции, включающий в себя момент инерции двигателя и насоса.
Критическое скольжение 
рассчитывается с помощью формулы Клосса, записанной для момента пуска 
двигателя:
. (9)
Значения пускового и критического моментов определяются по известным значениям кратностей моментов:
, (10)
, (11)
где 
- кратность пускового момента; 
- кратность максимального момента; 
- номинальный момент двигателя.
Полная передаточная функция асинхронного двигателя в соответствии со структурной схемой (рис. 5) определяется по формуле
. (12)
Вследствие малой величины пренебрегаем слагаемым 
, тогда при синтезе замкнутой системы электропривода насоса передаточная функция асинхронного двигателя может быть представлена в виде
. (13)
Коэффициент 
, учитывающий связь между производительностью насоса 
и его частотой вращения , определяется следующим образом:
. (14)
где 
- номинальная производительность насоса; 
- номинальная скорость вращения насоса.
Площадь 
емкости Е 1 определяется как
. (15)
Коэффициент обратной связи 
находится по формуле
, (16)
где 
- максимальное напряжение задания уровня.
Известно, что для решения задач синтеза замкнутых систем электропривода, обладающих хорошим быстродействием и желаемым характером переходных процессов, разработан инженерный метод синтеза, получивший название метода последовательной коррекции при подчиненном регулировании координат.
Методика синтеза на базе последовательной коррекции может быть эффективно использована при синтезе контура регулирования уровня. При этом могут использоваться два типа настроек - настройка на модульный оптимум (МО) и настройка на симметричный оптимум (СО), которые обеспечивают принципиально разные показатели качества регулирования.
Если принято решение о целесообразности реализации настройки на СО, то разомкнутый контур регулирования уровня должен иметь передаточную функцию вида
, (17)
где 
- некомпенсированная постоянная, принимаемая равной механической постоянной асинхронного двигателя, т.е. 
.
Передаточная функция регулятора уровня находится, если приравнять передаточную функцию разомкнутого контура уровня к желаемой передаточной функции, т.е. 
или в развернутой форме
. (18)
Из этого уравнения следует, что регулятор уровня представляет собой пропорционально-интегральное звено
, (19)
где 
- коэффициент усиления регулятора уровня; 
- постоянная времени интегрирования регулятора уровня.
Симметричный оптимум настройки контура регулирования обеспечивает следующие показатели качества:
- время переходного процесса t пп = 16,5 Т μ;
- время нарастания t н = 3,1 Т μ;
- время первого максимума t макс = 5,8 Т μ;
- перерегулирование σ = 43%;
- число колебаний n к = 2.
Выбор аппаратов защиты и управления. Выбор аппаратов защиты и управления электропривода насоса осуществляется по методикам, приведенным в разделе IV.
