Моделирование и исследование САУ насосной станции Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №3/2016 ISSN 2410-700Х_

УДК 62-523.3

Кожухова Александра Валерьевна.,

канд.техн.наук, доцент ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, РФ

E-mail: sanadstu@mail.ru Рамазанов Кемран Назимович., магистрант гр. УМГА-11 ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, РФ E-mail: ivanovkemran@gmai.com Савельев Игорь Евгеньевич, магистрант гр. УМГА-11, ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, РФ

E-mail:ig-s.saweljew@yandex.ru

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ САУ НАСОСНОЙ СТАНЦИИ

Аннотация

В существующих условиях доля электрической энергии потребляемой электродвигателями достигает 70% от затрат на доставку воды потребителям.

Внедрение ЧРП (частотно-регулируемого привода) на насосные станции позволит существенно снизить потребляемую электроприводом электроэнергию. Также следует отметить технико-экономические показатели ЧРП, такие как: плавный пуск насосов (отсутствие гидравлических ударов в трубопроводе, снижение напора), высокая надежность работы насосных агрегатов, автоматизация и диспетчерское управление, полная электрическая защита электродвигателя, и т.д., что в отдельных случаях имеет особое значение по отношению к прямой экономии.

Ключевые слова

Энергосбережение, частотно-регулируемый привод, регулятор расхода, насосная станция, математическая

модель, система автоматизированного управления (САУ).

В системах с переменной загрузкой, каковыми являются, в том числе и насосные станции, центробежные насосы при проектировании рассчитываются на максимальную производительность (в т.ч. с учетом возникновения экстремальных ситуаций - пожаров, аварий в сети и т.п.). Установка в целом должна иметь максимальный КПД в номинальном режиме. Режимная точка насоса при этом находится на пересечении характеристики насоса «Подача» Q - «Напор» H и характеристики системы (трубопровода). Во всем рабочем диапазоне достигаемый

КПД электропривода существенно зависит от применяемого способа регулирования.

Полное отсутствие регулирования при пониженных расходах воды (например, ночью) приводит к росту давления в системе в моменты снижения водопотребления, а это вызывает:

- потери энергии на создание избыточного давления (тот уровень давления, который поддерживается электронасосами, может быть значительно снижен);

- потери перекачиваемой жидкости за счет утечек на негерметичных стыках (при снижении водопотребления конечными потребителями возрастает давление в системе, что увеличивает потери воды). Так, например, по статистическим наблюдениям, рост давления в трубопроводе на 1 атмосферу, вызывает соответствующее увеличение потерь воды на 2-7 % (для трубопроводов, находящихся в аварийном режиме, увеличение потерь существенно выше);

- износ оборудования и повышение эксплуатационных расходов.

По этой причине при проектировании систем с электроприводами в течение последних десятилетий в проекты закладывались возможности регулирования подачи воды (воздуха) с помощью доступных на то время способов, являющихся косвенными по отношению к электроприводу, поскольку регулирование силы потока осуществляется не самим электродвигателем, а специальными устройствами.

Тем не менее, ни один из ранее применявшихся способов регулирования расхода жидкости и сокращения энергопотребления электроприводом не в состоянии обеспечить оптимальную работу

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №3/2016 ISSN 2410-700Х_

электропривода в сочетании с поддержанием необходимого давления в трубопроводе и эффективным расходованием электроэнергии.

Единственный существующий для одновременного достижения всех этих целей способ -регулирование путем изменения числа оборотов вала электропривода, путем применения частотного преобразователя частоты.

Проектируемая система представляет собой одноконтурную систему управления, с одним внешним контуром - контуром давления [1, стр.86].

Структурная схема проектируемой системы представлена на Рис. 1.

Рисунок 1 - Структурная схема электромеханической системы Где: РД - регулятор давления; Кд - коэффициент передачи двигателя 2п

k д =

(1)

Кдд - коэффициент обратной связи по давлению

= U'

-ДД

Н

(2)

В общем случае объект управления описывается следующей функциональной схемой (Рис. 2), которая может быть реализована в пакете Simulink Matlab 7.1. [2, стр.60].

Рисунок 2 - Функциональная схема насосного агрегата Обозначения на рисунке: АД - асинхронный двигатель; ЦН - центробежный насос; и - напряжение статора, В; fs - частота напряжения статора, Гц;

с - механическая угловая скорость вращения ротора и рабочего колеса насоса, рад/с; Mс - статический момент нагрузки на валу двигателя, Нм; Шас - напор на выходе насоса, м; ^х - напор на входе насоса, м;

Q - производительность насоса, м3/с;

8г - гидравлическое сопротивление магистрали, с2/м5.

L12

L2 *

R,+np

R,+np

| L^a

p+a

L12

L2 *

p+a

<>H-

3 L12

— Pn -

2 L2

Jip

0

1 а s2Ho„ ..А . 1

Hät* а. Pg

s (а+аф)

Рисунок 3 - Структурная схема насосной установки

Приведенная выше схема является черезмерно громоздкой и требует учета многих параметров изучаемых в динамике жидкостей. Для решения задач автоматизации целесообразно линеаризовать эту схему используя подобия (3).

Н ю2

(3)

Н2 -2

Пусть Q2 = Qн, Н2 = Нн, Ю2 = Юн; Ql = Q*, Н1 = Н*, Ю1 = ю*; где Qн, Нн, юн - номинальные значения параметров насосной установки;

Q*, Н*, ю* - текущие значения параметров насосной установки. Тогда уравнения (3) примет вид (4):

О* _ ю* Он ~~

Н *

НН Ю1

Выразим значения напора и подачи насоса через скорость на валу двигателя (5) и (5):

а

(4)

н 2

а*

Q* = QH а* = к1а* а.

'н

Н„ —

н

H 2 _ i 2

^ а* — к 2а*

н

а

(5)

(6)

где к1, к2 - постоянные величины.

Если не учитывать инерционность преобразователя частоты и электромагнитных цепей двигателя, считая, что они на порядок ниже, чем постоянная времени технологического объекта, и связь объекта и электропривода через Мс, считая, что жесткость механической характеристики двигателя достаточно высока, то структурную схему в случае управления Н возможно линеаризовать около номинальной точки и упростить.

Возьмем корень из уравнения (6);

м

т

м

U

т

lb

2b

H

^Щ* " kнас

где k..

„ю*

(7)

= HH - постоянный коэффициент.

ю.

Модель насоса будет иметь вид, показанный на рис. 4.

Рисунок 4 - Модель насоса

Влияние постоянной времени насоса на параметры переходных процессов в системе будет учтено при моделировании системы [3, стр.18].

Для моделирования системы управления насосной установки воспользуемся приложением SIMULINK пакета прикладного программного обеспечения МА^АВ 7.1.

Следует отметить тот факт, что при реальных условиях работы пуск насосной установки, изменение давления в потребительской сети, не происходит скачкообразно, а достаточно плавно и длительно. Целью данного раздела является исследование работы установки в критических режимах работы, проверка правильности синтеза регулятора. Исследование переходных процессов в системе стабилизации давления проводим с использованием упрощенной модели АД и учетом постоянной времени насоса. Для исследования динамики системы в приложении Simulink разработана модель насосной установки, позволяющая проводить моделирование с учетом и без учета ограничений регулятора давления и с возможностью подачи на вход системы задания различного вида. Схема модели САУ насосной установки приведена на рис. 5.

Проанализируем данную систему в следующих режимах без ограничения регулятора давления и с ограничением:

- Пуск скачком на холостом ходу (Мс = 0);

- Наброс нагрузки, равной Мс = 0,9 - Мн = 0.9 - 707 = 636,3 Нм

- Плавный пуск от задатчика интенсивности и наброс нагрузки;

В данном дипломном проекте принято, что влияние гидросети на АД учытывается ступенчатым характером наброса Мс . Так как параметры гидросети зависят от конкретной конфигурации и обычно

обеспечивают плавное нарастание М , то этот случай является наиболее тяжелым

Step1 —

У У

У

Frequency Converter

Two phase model of induction motor

о

Saturation1

-K-

Gain

Рисунок 5 - Схема модели САУ насосной установки

Учет ограничения осуществляется с помощью блока Saturation. То есть для случая с ограничением уровень ограничения выставляется на уровень 20.

Переалючателем Manual Switch-коммутируется режим : входной сигнал: скачок - задатчик интенсивности (линейное нарастание сигнала до заданного уровня) ; Manual Switch-2 включает режим ограничения; Manual Switch-3 осуществляет наброс нагрузки.

Модель системы составлена из отдельных блоков. Каждый блок реализует определенный элемент структурной схемы. Модель содержит и другие компоненты, предназначенные для обеспечения работоспособности и визуализации результатов моделирования [4, стр.97].

Результаты моделирования динамики САУ насосной установки представлены на рис. 6 - 9.

70 60 50

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Рисунок 6 - График переходного процесса изменения напора, при реакции на скачок сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления и наброса нагрузки.

Рисунок 7 - График переходного процесса изменения напора, при реакции на плавное нарастание сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления и наброса нагрузки.

90 г 80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 -0 --10 t

0.5 t,c

0.8 0.9

Рисунок 8 - График переходного процесса изменения напора, при реакции на скачок сигнала задания с учетом ограничений на выходе регулятора давления и наброса нагрузки.

40

30

20

0

70

60

50

40

30

20

10

0

0

0.5

1.5

2

2.5

3

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.6

0.7

70 60 50 40

ЕЕ и:

30 20 10 0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

t,c

Рисунок 9 - Графики переходного процесса изменения напора, при реакции на плавное нарастание сигнала задания с учетом ограничений на выходе регулятора давления и наброса нагрузки. Список использованной литературы

1. Моделирование системы автоматизированного управления насосной станции. К.Н. Рамазанов, А.В. Кожухова В сборнике: Гидравлические машины, гидропривода и гидропневмоавтоматика труды XIX Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов: сборник докладов. М-во образования и науки Российской Федерации, Московский энергетический ин-т (технический ун-т), Московский гос. технический ун-т им. Н.Э. Баумана. Москва, 2015. С. 86-89.

2. Инновационные технологии автоматизированного проектирования. Кожухова А.В., Плеханов С.А. Учебное пособие/ Издательство Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, 2012 г., стр. 138.

3. Динамический расчет гидро- и пневмосистем. Чернавский В.А. учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности 150802 "Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика" и другим инженерным специальностям в области машиностроительного гидропривода / В. А. Чернавский, А. В. Кожухова; Федеральное агентство по образованию, Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования Донской гос. технический ун-т. Ростов-на-Дону, 2009., стр.66.

4. Исследование динамики САУ насосной установки. И.Е. Савельев, А.В. Кожухова. В сборнике: Гидравлические машины, гидропривода и гидропневмоавтоматика труды XIX Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов: сборник докладов. М-во образования и науки Российской Федерации, Московский энергетический ин-т (технический ун-т), Московский гос. технический ун-т им. Н.Э. Баумана. Москва, 2015. С. 95-99.

©Кожухова А.В., Рамазанов К.Н., Савельев И.Е, 2016

УДК 62-523.3

Кожухова Александра Валерьевна.,

канд.техн.наук, доцент ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, РФ

E-mail: sanadstu@mail.ru Невзорова Марина Юрьевна магистрант гр. УМГА-11 ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, РФ E-mail: nevzorova.marishka@yandex.ru

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЧАСТОТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОБЪЕМНОГО НАСОСА

Аннотация

Одним из современных направлений повышения энергетической эффективности объемных