CC BY
11
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ЖИЛОГО ЗДАНИЯ С АВТОМАТИЧЕСКИМ РЕЗЕРВИРОВАНИЕМ КАНАЛОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ
Л.И. ЦЫТОВИЧ, О.Г. ТЕРЕЩИНА, М.М. ДУДКИН Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск
Рассматривается принцип построения системы управления асинхронными электроприводами водоснабжения жилых зданий и комплексов с автоматическим резервированием каналов регулирования. Дана структурная схема системы и временные диаграммы ее работы.
Приведены основные рекомендации по построению элементов системы управления и результаты ее практического использования при водоснабжении жилых зданий.
Введение
Подавляющее число электроприводов насосных станций водоснабжения жилых зданий и комплексов оснащены системами прямого релейноконтакторного пуска со всеми присущими им недостатками [1], включая практически полное отсутствие или неработоспособность систем защиты от аварийных режимов работы асинхронного электродвигателя и исполнительного механизма. Это приводит к высокому потоку отказов электроприводов, что усугубляется, как правило, низкой квалификацией обслуживающего персонала, его нерасторопностью, по объективным и субъективным причинам, при устранении аварийных ситуаций на объектах жилищно-коммунального хозяйства, включая даже те, где предусмотрен холодный резерв электрооборудования. Вряд ли найдется человек, которому не знакомы все эти проблемы и который не испытал бы на себе дискомфорт, связанный с перебоями в системе водоснабжения его жилья.
Внедрение на подобных объектах передовых энерго- и техникосберегающих технологий в области электропривода переменного тока с использованием преобразователей частоты (ПЧ-АД), контроллеров, компьютерных систем управления, диагностирования и автоматического резервирования в ближайшем будущем ожидать не приходится из-за их высокой стоимости и отсутствия высококвалифицированного обслуживающего персонала.
Очевидно, что наиболее реальным путем повышения надежности систем водоснабжения жилых зданий и комплексов в сложившейся ситуации является применение предельно простых, недорогостоящих и максимально эффективных технических решений в области электронных технологий, которые позволяли бы, наряду с реализацией программы техникосбережений, решать вопросы автоматического резервирования электроприводов подобного класса.
Теоретическая часть
В 2000 г. кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок Южно-Уральского государственного университета в рамках
© Л.И. Цытович, О.Г. Терещина, М.М. Дудкин Проблемы энергетики, 2005, № 5-6
хоздоговорной тематики разработала и внедрила в двух девятиэтажных жилых зданиях города недорогостоящую систему водоснабжения с автоматическим резервированием, структура которой показана на рис. 1, а.
В ее состав входят многозонный интегрирующий развертывающий преобразователь МРП [2], исполнительные асинхронные электродвигатели М1, М2 мощностью 12 кВт каждый с водяными насосами Н1, Н2, клапаны обратного давления ОК1, ОК2 и тиристорные станции управления ТСУ1, ТСУ2 [3], представляющие собой регуляторы напряжения с фазным управлением и контуром обратной связи по току статора электродвигателя, что позволяет ограничивать пусковой ток М1, М2 на заранее заданном уровне порядка 1,8 - 2,5 номинального значения.
МРП
Рис. 1. Структурная схема системы управления электроприводом водоснабжения жилого здания (а), блока диагностирования (б) и временные диаграммы его работы (в - д)
Система импульсно-фазового управления ТСУ реализована на основе автоколебательных интегрирующих развертывающих преобразователей с внешней синхронизацией напряжением сети соответствующей фазы [3].
Ключи ТСУ выполнены по схеме «тиристор - диод», что позволяет предельно упростить схему управления силовым блоком [4]. В состав ТСУ входит также весь комплекс быстродействующих селективных защит: максимально токовая, времятоковая, от исчезновения фазного напряжения, от перегрева силовых ключей. Непосредственно М1, М2, Н1, Н2 содержат узлы прямой тепловой защиты на основе термореле. Кроме того, М1, М2 имеют защиту от пробоя изоляции обмоток статора. Все узлы защиты при срабатывании формируют сигнал логического «0».
Каждая из ТСУ снабжена блоком готовности БГ, работающим по функции «И-НЕ», на входы которого подключены выходы всех защит ТСУ и исполнительных механизмов, а также логические выходы ТСУ, свидетельствующие о включении ее оперативного и силового электропитания. Один из каналов, например, ТСУ2 - М2 - Н2 находится в режиме «горячего» резерва.
Кроме перечисленных элементов в состав системы входят блок диагностики БД работоспособности МРП и элемент светозвуковой сигнализации ЗС возникновения на объекте нештатной ситуации.
Рассмотрим принцип действия МРП.
В его состав входят интегратор И, сумматор 2 и группа из трех релейных элементов РЭ0, РЭ1, РЭ2 с неинвертирующей петлей гистерезиса и симметричными относительно нулевого уровня порогами переключения, удовлетворяющими условию |± ¿о| <|± <|± , где индекс при «Ь» соответствует
порядковому номеру РЭ. Выходные сигналы РЭ меняются в пределах ± А/п , где п - число релейных элементов МРП. РЭ1 и РЭ2 формируют команду на запуск соответствующей ТСУ1, ТСУ2. В дальнейшем считаем, что сигнал +А/3 (логическая «1») приводит к включению ТСУ, а сигнал -А/3 (логический «0») - к ее отключению.
При включении МРП его релейные звенья ориентируются произвольным образом, однако, в конечном итоге, в режиме устойчивых автоколебаний всегда оказывается релейный элемент с минимальным значением порогов переключения (в данном случае РЭ0, рис. 2, а, б), а остальные находятся в статическом и противоположном по знаку выходного сигнала состояниях (рис. 2, в, г) [2]. В данном случае с помощью РЭ1 (рис. 2, в) производится пуск канала ТСУ1-М1-Н1, а тракт ТСУ2-М2-Н2 выполняет функции «горячего» резерва. Следует отметить, что применительно к рассматриваемой системе понятия «рабочий» и «резервный» каналы регулирования являются чисто условными, так как любой из них может оказаться как в роли рабочего, так и в роли резервного. Все зависит от первоначальной ориентации релейных элементов РЭ1, РЭ2 после возникновения в МРП режима устойчивых автоколебаний.
Для обеспечения с помощью МРП режима автоматического резервирования исполнительных механизмов каждый из релейных элементов РЭ1, РЭ2 выполнен с установочным входом, при подаче на который сигнала «1» приводит к принудительному переключению релейного элемента в положение -А/3. При исправном состоянии системы блоки готовности БГ формируют на выходе команду «0», и РЭ1, РЭ2 функционируют в соответствии со своей исходной характеристикой.
а) 0
- Ь0 - Ь, - ь,
б) 0
в) 0
г) 0
д) 0
Исправное состояние элементов системы
Отказ РЭ0 или канала ТСУ1-М1-Н1
Уи со
А/3
1ЛЛ.иЛ]
Включ<ны ТСУ1-М1-Н1
-А/3
=Ы
А/3
41-
№
УвыхФ
4^-
Ур0®
и Ш и 1
-А/3
-А/3 Урі(і) _______ ,
I-______ '
з
А/3
1— х,2со
Включенні ТСУ2-М2-Н2
-А
и ш
-А/3
№
А/3
Рис. 2. Временные диаграммы сигналов МРП для исправного состояния системы и при отказе одного из каналов регулирования
Предположим, что в момент времени ¿о (рис. 2, в) в канале ТСУ1-М1-Н1
сработала какая-либо из защит, что вызвало появление на выходе БГ1 сигнала «1», под действием которого РЭ1 принудительно переключился в положение —4/3. Это приводит к отключению ТСУ1 и появлению на выходе сумматора X импульса с амплитудой —4 (рис. 2, д), под действием которого выходной сигнал интегратора И форсированно достигает порога переключения РЭ0 (рис. 2, а, момент ¿01). После переключения последнего (рис. 2, б) выходной сигнал МРП уменьшается до величины 4/3 (рис. 2, д), что приводит к снижению производной сигнала на выходе интегратора И, но не изменяет направление его нарастания (рис. 2, а). В результате в момент времени 102 (рис. 2, а, г) происходит переключение РЭ2 в
состояние 4/3 и автоматическое включение в работу канала ТСУ2-М2-Н2. Включение резервной группы механизмов сопровождается подачей светозвуковой сигнализации с помощью блока ЗС на пульт дежурного, который обслуживает в данном жилом комплексе лифтовое хозяйство и обязан уведомить о нештатной ситуации на объекте соответствующие коммунальные службы.
Для повышения надежности МРП интегратор И может быть выполнен на основе пассивной И-С-цепи с передаточной функцией вида W (р) = 1 /(1 + Тр), а сумматор X - по схеме пассивного резистивного И-сумматора.
Ь
Ь
Ь
і
І
і
і
і
При выходе из строя РЭ0 режим автоколебаний возникает в канале РЭ1, что в рамках данной системы является недопустимым. Для аварийного отключения системы в подобной ситуации служит БД (рис. 1, я). В его состав входят (рис. 1, б) пропорционально дифференцирующее звено ПД и демодулятор (выпрямитель) ДМ, выполненные на пассивных элементах, что позволяет считать их практически «идеально» надежными элементами. С помощью ПД выделяется переменная составляющая (рис. 2, г) выходных импульсов РЭ0 (рис. 2, б), которая выпрямляется (рис. 2, г) и управляет исполнительным герметизированным реле на выходе ДМ. При выходе из строя РЭ0 выходные сигналы ПД и ДМ становятся равными «0», что вызывает аварийное выключение системы управления в целом за счет появления на выходе БГ1, БГ2 сигнала «1» и блокирования работы РЭ1, РЭ2.
Питание оперативных цепей системы управления производится от двух параллельно работающих однофазных источников электропитания, подключенных к разным фазам сети. Один из источников находится в режиме «горячего» резерва.
Защита ТСУ от пропадания фазного напряжения выполнена по интегрирующему принципу с временем срабатывания порядка 3 - 5 секунд, что позволяет системе не реагировать на кратковременное исчезновение фазного напряжения, исключая, тем самым, нерациональной переход на резервный канал водоснабжения.
Использование в качестве средства диагностики системы МРП позволяет отказаться от дорогостоящих программируемых контроллеров и разработки крайне сложного программного продукта для его многоуровневого самодиагностирования с применением мажоритарных алгоритмов.
Рассмотренная система может быть предельно упрощена, если резервный канал вместо ТСУ оснастить схемой релейно-контакторного пуска. В этом случае МРП потребует введения достаточно простого узла предустановки РЭ1, РЭ2 в заранее требуемое положение, когда каналы регулирования будут строго разделены на рабочий и резервный.
За пять лет эксплуатации рассмотренного электропривода не было зафиксировано ни одного случая выхода из строя исполнительных механизмов и сбоя режима водоснабжения жилых зданий по вине системы управления. Переход на резервный канал водоснабжения был зафиксирован 4 раза из-за перегрева подшипников электродвигателей и насосов, что, на наш взгляд, является прямым следствием несоблюдения службами эксплуатации графика профилактических работ на объектах.
Срок окупаемости затрат на реконструкцию электроприводов составил порядка 1,5 лет.
Summary
The principle of constructing the control system of asynchronous electric drives for water supply of apartment houses and complexes with automatic reservation of actuating path is considered. The structure chart of the system and time diagrams of its work are presented.
The basic recommendations for cells construction of control system and results of its practical application for water supply of apartment houses are given.
1. Гафиятуллин Р.Х., Цытович Л.И., Маурер В.Г., Рахматулин Р.М. Комплекс тиристорных преобразователей для плавного пуска асинхронных электродвигателей // Научно-технический семинар «75 лет отечественной школы электропривода»: Тезисы докладов.- С.Петербург, 1997.- С.50.
2. А.с. 1183988 СССР, 00607/12. Развертывающий усилитель / Л.И. Цытович (СССР).- № 3734334/24; заявл. 27.04.84; опубл.07.10.85. Бюл. № 37.
3. Дудкин М.М. Сравнительный анализ динамических характеристик фазосдвигающих устройств // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 11. / Под ред. С.И. Лукьянова - Магнитогорск: МГТУ, 2005.- С.87-96.
4. Гафиятуллин Р.Х., Цытович Л.И., Маурер В.Г., Власов Д.Л. «Мягкий» пуск асинхронных электроприводов // Техника и оборудование для села.- М.: Информагротех, 1999.- С.17-18.
Поступила 13.05.2005
