CC BY
28
УДК 621.396.6
О.А. Лысенко
Омский государственный технический университет, г. Омск
СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ НАПОРА УСТАНОВОК ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ СО СКАЛЯРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Из соображений энергоэффективности, объективно подтверждается необходимость перехода от систем дроссельного регулирования насосных агрегатов к системам автоматического управления ими, путем автоматического поддержания необходимого технологического параметра, в частности, напора при изменяющемся расходе воды за счет применения частотно-регулируемых асинхронных электроприводов [1].
Турбомеханизмы, к которым относятся и центробежные насосы для перекачки воды и других жидкостей, потребляют до 25% всей вырабатываемой электроэнергии и заключают в себе громадные резервы энергосбережения [1]. Работа этих систем отличается неравномерным потреблением воды, тепловой энергии в зависимости от погодных условий, времени года.
В настоящее время в частотном электроприводе существует два подхода к построению систем регулирования - это векторные и скалярные системы.
Скалярное регулирование или ИЯ" регулирование нашло наибольшее распространение вследствие относительной простоты и надежности.
Большинство из используемых скалярных систем регулирования использует типовые законы вольт частотных характеристик (и/Я=соп81 и и/Г2=соп81;). Однако учет гидравлических характеристик магистрали и насоса позволяет построить оптимальные с точки зрения энергоэффективности режимы работы.
Для значительной группы насосных установок экономичный режим обеспечивается стабилизацией напора в системе подачи жидкости [1]. К таким установкам относятся насосные станции второго и третьего подъёмов промышленных и городских водопроводов, насосные станции подкачки, станции закрытых систем орошения и т.д. Необходимость стабилизации напора в сети этих станций обусловлена вероятностным характером режима водопо-требления. Переменный характер водопотребления требует непрерывных изменений в режиме работы насосной установки. Изменения должны выполняться так, чтобы поддерживались требуемые значения технологических параметров (расходов, напоров) в системе в целом и одновременно обеспечивалось минимально возможное энергопотребление насосной установки [2].
Такая задача решается системой автоматического управления насосной установки, стабилизирующей напор в сети по заданному значению. Во всех точках сложной разветвленной сети стабилизировать напор практически невозможно. Поэтому напор можно стабилизировать только в отдельных точках, которые называют диктующими. В качестве диктующих берут точки, обеспечение необходимого напора в которых гарантирует поддержание таких же или более высоких напоров в остальных точках сети. Как правило, в качестве диктующих
147
выбираются точки, наиболее удаленные в гидравлическом отношении, а так же расположенные на наиболее высоких отметках.
ВР
->о-> А
Л
1\ л
н
•—*
зад
РН
ш*
~50Гц
А
РЧН у*
-1
Л
На
ПЧ
>А
РПН
Нн Он
ТР
ЦН
М
ДР
Он
Пн
Р нн ДД
Рис. 1. Принципиальная схема стабилизации напора в диктующей точке водопроводной сети с датчиками напора и расхода:
ЦН - центробежный насос; М - асинхронный регулируемый электродвигатель;
Р - резервуар; ТР - трубопровод; ВР - водоразборные устройства; ПЧ - преобразователь частоты ДД - датчик давления; ДР - датчик расхода; РПН - регулятор потерь напора; РН - регулятор напора; РЧН - регулятор частоты и напряжения
П
2
Разработана система регулирования напора (рис. 1), достоинством которой является то, что сигнал обратной связи по напору снимается не в диктующей точке гидросети (А), а непосредственно в насосной станции. Система состоит из насосного агрегата, оснащенного регу-
лируемым электроприводом, преобразователей давления и расхода, пропорциональноинтегрального регулятора (ПИ) - РН (регулятор напора), пропорциональных регуляторов -РПН (регулятор потерь напора) и РЧН (регулятор частоты и напряжения), реализующий оптимальную регулировочную вольт-частотную характеристику.
Структурная схема системы, предназначенная для определения структуры и параметров регуляторов и для расчета переходных процессов в пакете Бітиііпк, приведена на рисунке 2.
Схема построена с использованием математического описания асинхронного двигателя [3] во вращающейся системе координат (блок ЛВ80М2 на Рис. 2.).
148
-c-
ux
RU-f
f U*
U wm
kdH1* out in2 Rg Hp Tp M Intense Pump K8-18
Tp
Qp
PSL
if
Qp
AD80M2
Scope_1
RH
w
Scope_1
kdH*
+
0.01 +
kw
Rg
Hp
kHm
Hm
Hn
Qn
w*
Ha
comp pump і Q
H
kQm Qm
kH
Ha
На
Рис. 2. Структурная схема системы стабилизации напора в диктующей точке при скалярном управлении асинхронным двигателем
В качестве модели центробежного насоса (Pump K8-18, Рис. 2.) выступает структурная схема, полученная с помощью электрогидравлических аналогий и соответствующая математическому описанию, использующему вращающиеся пространственные вектора [3]. Адекватность модели АД-ЦН оценивалась с помощью экспериментальной установки [4].
Блок Comp Pump (Рис. 2.) определяющий текущий напор и расход ЦН через механические параметры двигателя (момент нагрузки и скорость вращения) передает полученные значения на регулятор потерь напора (блок RdH, Рис. 2.). Значение диктующего напора подается на вход регулятора напора (блок RH, Рис. 2.). В своем составе блок RH содержит ПИ-регулятор.
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
Ъ с
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
1,2 1,4 1,6 1,8 2
Рис. 3. Переходные процессы при увеличении гидравлического сопротивления: а - гидравлическое сопротивление нагрузки ЦН (о.е.); б - напор в диктующей точке (м)
149
В блоке ЯИ-Г согласно, заданной относительной частоты вращения необходимые значения питающей частоты и напряжения.
О* , вычисляются
На рисунках 3-6 показаны переходные процессы в системе при пуске двигателя мощностью 1,5 кВт и центробежного насоса К-8-18. В момент времени 1=1 с., когда все параметры приняли свои установившиеся значения, с помощью задатчика интенсивности происходит увеличение гидравлического сопротивления нагрузки насоса. Решение задачи производилось с помощью жестких методов численного интегрирования.
300
250
200
150
\мт, рад/с а
50
0
15
10
5
0
-5
-10
-15
^ с
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
1.2 1,4 1,6 1,8 2
Рис. 4. Переходные процессы при увеличении гидравлического сопротивления: а - скорость вращения АД (рад/с); б - момент АД (Н-м)
1,4
1.2 1
0,8
0,6
Рэ1, о.е. а
0,2
0
!э, Н*м б
25
15
0
5
0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Ъ с
1,2 1,4 1,6 1,8 2
Рис. 5. Переходные процессы при увеличении гидравлического сопротивления: а - потокосцепление (о.е.); б - ток статора (А)
150
Ор, м3/ч а
14
10
8
6
4
2
14
12
10
8
6
4
2
0
t, С
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
1,2 1,4 1,6 1,8 2
Рис. 6. Переходные процессы при увеличении гидравлического сопротивления: а - расход ЦН (м3/ч); б - напор ЦН (м)
Таким образом, система стабилизации напора со скалярным управлением асинхронным двигателем показывает свою полную работоспособность и ведет себя устойчиво как при пуске двигателя, так и при сбросе/набросе нагрузки. Однако потокосцепление ротора при этом не стабилизировано, что отрицательно сказывается на энергоэффективности привода. Данную задачу может решить применение привода с векторным управлением.
Библиографический список
1. Лезнов, Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках / Б. С. Лизнов. - М. : ИК «ЯГОРБА» — Биоинформсервис, 1998. — 180 с.
2. Лысенко, О. А. Режимы энергосбережения электромеханического комплекса : центробежный насос - асинхронный двигатель / О. А. Лысенко, А. И. Мирошник // Омский научный вестник. - Омск, 2011. - № 2(98). - C. 145-148.
3. Лысенко О. А. Исследование динамических характеристик электромеханического комплекса : центробежный насос - асинхронный двигатель / О. А. Лысенко, А. С. Солодян-кин // Омский научный вестник. - 2010. - № 2(90). - C. 148-151.
4. Лысенко, О. А. Стенд для проверки адекватности математических моделей системы : «ПЧ-АД-ЦН» / О. А. Лысенко, А. Ю. Ковалёв // Россия молодая : передовые технологии - в промышленность : материалы IV Всерос. молодежн. науч.-техн. конф. / ОмГТУ. - Омск, 2011. - Кн. 2. - С. 101-103.
