CC BY
28
Електротехнiчнi комплекси та системи. Силова електронка
УДК [62-83:621.313.333]-57-592 ^к 10.20998/2074-272Х.2016.3.06
В.Й. Лобов, К.В. Лобова
ЗАДАТЧИК 1НТЕНСИВНОСТ1 ДЛЯ ПРИСТРОЮ ПЛАВНОГО ПУСКУ ЕЛЕКТРОДВИГУНА ЗАГЛИБНОГО НАСОСА
Розглядаеться задача побудови задатчика ттенсивност1 для формування змши кута вiдкривання тиристорiв регулятора напруги. Це дозволяе змтювати по складнш траектори напругу живлення на статорi електродвигуна заглибно-го насосу, забезпечуючи цим потрiбний час плавного прискорення обертання ротора. Для реашзаци задатчика ттен-сивностг апаратними засобами автоматизации надано блок-схему, а програмним шляхом - математичт вирази
Бiбл. 9, табл. 1, рис. 2.
Ключовi слова: заглибний насос, асинхронний електродвигун, тиристорний регулятор напруги, кут ввдкривання тиристор1в, задатчик штенсивност1, пуск, час прискорення.
Рассматривается задача построения задатчика интенсивности для формирования изменения угла открывания тиристоров регулятора напряжения. Это позволяет менять по сложной траектории напряжение питания на статоре электродвигателя погружного насоса, обеспечивая, тем самым, нужное время плавного ускорения вращения ротора. Для реализации задатчика интенсивности аппаратными средствами автоматизации представлена блок-схема, а программным путем - математические выражения. Библ. 9, табл. 1, рис. 2.
Ключевые слова: погружной насос, асинхронный электродвигатель, тиристорный регулятор напряжения, угол открывания тиристоров, задатчик интенсивности, пуск, время ускорения.
Вступ. Зростання як житлового, так i промыслового будiвництва останшм часом зробило стабшьне та яшсне водопостачання одним iз першочергових за-вдань. Найбшьш перспективним його способом е ви-користання пщземних джерел за допомогою свердло-вин рiзноl глибини, яка е складною пдротехшчною спорудою, що вимагае квалiфiкованого тдходу до облаштування та надшного обладнання - свердло-винних насоав. Ц агрегати спещально розроблеш для роботи в досить складних умовах. Вони е кошто-вш та, в силу специфiки монтажу, 1х ремонт пов'яза-ний зi значними труднощами i витратами. Тому при пiдборi такого обладнання слщ звертати увагу на ряд деталей та практичних моментiв, як1 допоможуть збь льшити термiн безперебшно1 роботи устаткування i максимально знизити експлуатацiйнi витрати.
Один з таких ключових параметрiв - це спосiб пуску асинхронного електродвигуна заглибного насоса (АЕЗН), який е одним з найбшьш несприятливих режимiв для електродвигуна, водотдйомних труб i водозахватно! частинi свердловини. Електродвигун насоса в цей перюд на короткий час пщдаеться тко-вому навантаженнi, тому його пусковий струм у 4-7 разiв перевищуе значения номiнального при вiдносно невисокому пусковому моментi. Це веде до пщвище-ного теплового зносу iзоляцil обмоток статора, вщ якого суттево залежить надiйнiсть i довговiчнiсть електродвигуна. Шкщливий такий запуск i для агрегату i свердловини в цшому, оск1льки часто супроводжуеть-ся пдроударом, що руйнуе трубопровiд, арматуру та сам насос. Найбшьш ефективним виршенням уах цих проблем е забезпечення плавного пуску АЕЗН.
Анал1з досл1джень 1 публжацш. Створення та дослщження систем керованого пуску електродвигу-нiв змшного струму досить широко висвiтлено у вгг-чизиянiй i зарубiжиiй лггератург Як правило, для за-безпечення ще1 мети використовуються наступнi спо-соби: переключення iз схеми <^рка» у схему «трику-тник» або включення електродвигуна за допомогою пускового трансформатора, або шляхом фазового
управлшня напругою на статорi або використання перетворювачiв частоти [1-9]. Як показуе практика для АЕЗН, економiчно обгрунтованими е вiдносно простi пристро! з параметричним фазовим керуван-ням. Для цього використовуються тиристорш регуля-тори напруги (ТРН), що е найбшьш широко пошире-ними, !х експлуатащя буде застосовуватися i в майбу-тньому для електродвигунiв мало! та середньо! поту-жиостi [1-3, 6, 8].
Керування пусковими режимами електроприво-дiв за допомогою ТРН найбшьш просто виконувати шляхом формування задатчиками iнтенсивностi необ-хщних закошв змiни у часi напруги, що живить обмотки статора. Прикладену до статора напругу живлення регулюють за допомогою кута вщкривання ти-ристорiв ТРН, що включеш в статорнi ландюги електродвигуна. Виконуеться пуск при сталш або безпере-рвнiй (по лшшному або експонентному закону) змiнi купв а8, що формуються за допомогою апаратних або програмних задатчикiв штенсивносп. При значному статичному навантаженнi на валу мехашзму вдаеться регулювати у широкому дiапазонi час пуску електродвигуна, що дозволяе знизити пусковi струми та ве-личини ударних електромагштних моментiв [2, 3, 6, 7]. Однак, вiдомi закони регулювання кута не до-зволяють виконати керований пуск АЕЗН, за техшч-ними вимогами яким необхщно мати час розгону не менше 20 с i бiльше. АЕЗН вщноситься до малошер-цiйних електроприводiв, так як вiн мае не значний сумарний момент шерцп ./£<2/е, (Зг - момент шерцп електродвигуна) i статичний момент на валу М<0,4Мп (Мп - номiнальний момент). Тому при пуску АЕЗН вщомими способами достатньо напруги зворушення и^ щоб електродвигун розiгнався до швидкостi, бли-зько1 до номшально1. Цей пуск е не керований i виконуеться за час, що дорiвнюе 0,4-0,8 с та не регулюеть-ся в чаа. Подальше збшьшення напруги живлення до номшально1 не робить суттевого впливу на плавшсть
© В.Й. Лобов, К.В. Лобова
пуску, так як швидшсть електродвигуна мшяеться в невеликому дiапазонi [8, 9].
Мета роботи - теоретичне обгрунтування, роз-робка та реалiзацiя регульованого плавного пуску асинхронного електродвигуна заглибного насоса при використаш ТРН iз задатчиком iнтенсивностi, який по рацюнальному закону буде змiнювати кут вщкриван-ня тиристорiв, що дозволить ефективно впливати на напругу живлення статорних обмоток електродвигуна для забезпечення в широкому дiапазонi змiни часу плавного пуску та збшьшити термiн безперебшно! роботи пдротехшчно1 споруди i максимально знизити експлуатацшш витрати.
Результати дослвджень. Плавний пуск АЕЗН пропонуеться виконувати наступним способом. У початковий момент часу на обмотки статора електро-двигуна подаеться напруга зворушення П.. Пiд дiею ще1 напруги ротор електродвигуна починае розганя-тися. Одночасно, напруга зворушення П. зменшуеться за час пуску /1 за експоненщальним законом до мшь мально! напруги Пт1П. При цш напрузi ротор електродвигуна продовжуе ще стiйко обертатися. Починаючи з моменту часу /1 I досягнення мшмально1 напруги Пт1П, напруга на статорних обмотках електродвигуна зб№шуеться по експоненщальному закону до номь нального значения напруги живлячо! мереж1 П.п. Цей пуск протiкае плавно за потрiбний час /2 до встанов-лення номшально1 швидкостi обертання ротора елек-тродвигуна.
Для реалiзацil цього способу пуску апаратним пристроем використовуеться задатчик iнтенсивностi, блок-схема якого надана на рис. 1.
Рис. 1. Блок - схема задатчика штенсивносл для плавного пуску електродвигуна типу АЕЗН
При реалiзацil цього способу програмними засо-бами використовують математичний вираз (1):
П.т
\П.в Ч''"
при 0 < / < /1;
(1)
11П. + Пт1п У
ош (1 - е~'2/'" ) при /1 < / < /ъ де /1, /2 - сталi часу, /п - загальний час пуску АЕЗН.
Кут вiдкривання тиристорiв силового блоку ТРН визначаеться через початковий кут вщкривання а(0):
\а(0) 1 - в-*1*") при 0 < / < /1;
(2)
при /1 < / < /2.
Напруга зворушення i мiнiмальна напруга у ви-разi (1) вщповвдно визначаються за формулами:
П. П ..п
Мп
Пт1п П ..п
М.
(3)
(4)
де М. - статичний момент при нерухомому роторi електродвигуна; Мп - пусковий момент електродвигуна при номшальнш напрузi живлення; М. - статичний момент навантаження при мшмальнш частотi обертання ротора електродвигуна; М - момент електродвигуна при номшальнш напрузi живлення та мшь мальнiй частотi обертання ротора електродвигуна.
Стала часу /\ виразах (1) i (2) визначаеться з основного рiвняння руху електроприводу та мехашчно1 характеристики електродвигуна:
/1 И 1п
(Ма + М0)^т1п - М^г
(5)
де ^ - приведений момент шерцп електроприводу; С , ютт - синхронна та мшмальна частоти обертання ротора електродвигуна; Ма - електромагштний момент, що визначаеться за мехашчною характеристикою електродвигуна.
Постановка числових даних дае значення /1 (5), що не перевищуе п'яти перiодiв мережево1 напруги, та розраховуеться для конкретного електроприводу. Стала часу /2 у тих же виразах (1) i (2) вибираеться у межах одного або двох значень заданого часу пуску. Це викликано тим, що напруга живлення е достат-ньою для розгону АЕЗН у зош робочих швидкостей, визначае плавшсть пуску, iстотно нижче номшально1 напруги та розраховуеться iз урахуванням параметрiв конкретного електроприводу. Тому для збшьшення часу розгону АЕЗН у зош робочих швидкостей, необ-хвдно збшьшити сталу часу /2.
В таблиц наданi значення, а на рис. 2 - залежно-стi П. = /(///„) при змiнi сталих часу /ь /2 i напруги П., що розраховувалась за виразом (1). На графках значення напруги П. представлеш у частках номшально1 напруги мереж1 П.п, а поточний час - у частках часу при прямому пуску асинхронное' машини iз номшаль-ною напругою мереж1, а Т.. - е перюд змiни напруги живлячо1 мереж1 П.п.
1з отриманих результатiв випливае, що при збь льшеннi стало1 часу /2 вiд 5 до 25 Т.. мiнiмальна на-пруга Пт1п на обмотках статора електродвигуна досягае
величины, piBHoi' 0,3Usn (рис. 2,а). Збшьшення стало! часу t2 ввд значення, необхвдного часу tn пуску елект-роприводу до значення, piвнoгo 10tn приводить до того, що ця напруга значно зменшуеться та досягае величини, piвнol 0,05 Usn.
Таблиця
Залежносл Us / Usn = f(t/tn)
№ характеристики (рис. 2,а) ti t2 № характеристики (рис. 2,б) Us
1 5t„ 25T„ 1 0,85
2 5t п 5T„ 2 0,65
3 5t п 12,5T„ 3 0,5
4 tп 5T„
5 3tn 5T„
6 10tn 5TSS
Us/Us,
I Розрахунок ' Експеримент
1.0
0.£
0.6 0.4
о.:
//
У (/ 'A
5 __
// __^_ -
E\1 /
lyi / > У
t/tn
0.2 0,4 0,6 0,8 1Л
Us/Us,
о,s
0.6
0.4
0.2
и
1 2
Щ,
0.2
0,4
M
0,i
IjO
б
Рис. 2. Залежностi Us / Um = J{tltn)
При зменшенш Us до 0,5Usn (рис. 2,6 третя крива) ця функщя протягом часу, рiвного t/tn = 1 досягае величини, рiвноl 0,35U/Usn, при Us = 0,8Usn (друга крива) - 0,43 U/Usn - 0,43 (рис. 2,б). У той же час при UJUsn (перша крива) функцiя досягае вже величини 0,62. Зниження напруги Us призводить до бiльш три-валого наростання функцй' UJUsn = f(t/tn).
Висновки.
1. Доведена необхщшсть використання в широкому дiапазонi часу прискорення ротора асинхронного еле-ктродвигуна заглибного насоса ТРН i3 задатчиком iнтенсивностi, який мае двi сталих часу, що змiню-ються по експоненщальному закону i враховуе величину напруги зворушення ротора електродвигуна. При змiнi в розробленому задатчику iнтенсивностi
сталих часу i величини напруги зворушення ротора виходить амейство характеристик живлячих напруг i3 ТРН, яш можуть подаватися на статорн обмотки для формування пускових режимiв асинхронного електродвигуна заглибного насоса та збшьшити термiн безперебшно! роботи пдротехтчно! споруди i максимально знизити експлуатацшт витрати.
2. Розроблений задатчик iнтенсивностi може бути використаний в перетворювачах частоти для формування пускових режимiв, що використовуються, на-приклад, в електроприводах конвеерних машин для випалювання котунiв.
СПИСОК ШТЕРАТУРИ
1. Лобов В.Й., Лобова К.В. Метод определения времени пуска и торможения асинхронных электродвигателей с ре-зисторно-тиристорными модулями // Електротехнжа i елек-тромеханжа. - 2015. - №4. - С. 40-44. doi: 10.20998/2074-272X.2015.4.07.
2. Петрушин В.С., Якимец А.М., Бангула В.Б. Анализ пуска асинхронного двигателя с помощью тиристорного преобразователя напряжения // Електротехшка i електромеха-нжа. - 2012. - №6. - С. 31-33. doi: 10.20998/2074-272X.2012.6.06.
3. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод. - М.: Издательство «Академия», 2004. - 256 с.
4. Фигаро Б.И., Васильев Д.С. Применение устройств плавного пуска и торможения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором в электроприводах крановых механизмов передвижения // Электротехнические и компьютерные системы. - 2011. - №4. - С. 30-38.
5. Lobov V., Lobova K. Choice of braking method of asynchronous electric motor for using in electric drives of conveyor equipment // Metallurgical and Mining Industry. - 2015. - №8. - pp. 6-12.
6. Lobov V. Method for research of parametric control schemes by asynchronous motor // Metallurgical and Mining Industry. - 2015. - №6. - pp. 102-108.
7. Черный А.П., Гладырь А.И., Осадчук Ю.Г. Пусковые системы нерегулируемых электроприводов: Монография. -Кременчуг: ЧП Щербатых А.В., 2006. - 280 с.
8. Лобов В.И. Исследование пусковых и тормозных режимов асинхронных электроприводов с тиристорным параметрическим управлением: дис. ... к. техн. наук. - М. ВНИИЭлектропривод, 1983. - 269 с.
9. Бродский Ю.А., Егорова С.А., Лобов В.Й., Швец С.А. А.с. СССР №1108589. Способ пуска малоинерционного асинхронного электродвигателя, МПК Н 02 Р 1/26. Опубл. 15.08.1984. Бюл. № 30. - 4 с.
REFERENCES
1. Lobov V.I., Lobova K.V. Method of determining the start time of induction motors in the control of resistor-thyristor modules. Elektrotekhnika i elektromekhanika - Electrical engineering & electromechanics, 2015, no.4, pp. 40-44. (Rus). doi: 10.20998/2074-272X.2015.4.07.
2. Petrushin V.S., Yakimets A.M., Bangula V.B. Analysis of a thyristor voltage converter fed induction motor start. Elektrotekhnika i elektromekhanika - Electrical engineering & electromechanics, 2012, no.6, pp. 31-33. (Rus). doi: 10.20998/2074-272X.2012.6.06.
3. Braslavskiy I.Ya., Ishmatov Z.S., Polyakov V.N. Ener-gosberegayushchiy asinkhronnyy elektroprivod [Energy-saving asynchronous electric]. Moscow, Academiya Publ., 2004. 256 p. (Rus).
а
4. Figaro B.I., Vasilyev D.S. Application of squirrel-cage induction motor soft starting and braking in the electric drives of crane travel mechanisms. Elektrotekhnichni ta kompiuterni systemy - Electrotechnic and computer systems, 2011, no.4, pp. 30-38. (Rus).
5. Lobov V., Lobova K. Choice of braking method of asynchronous electric motor for using in electric drives of conveyor equipment. Metallurgical and Mining Industry, 2015, no.8, pp. 6-12.
6. Lobov V. Method for research of parametric control schemes by asynchronous motor. Metallurgical and Mining Industry, 2015, no.6, pp. 102-108.
7. Chernyi A.P., Gladyr A.I., Osadchuk Y.G. Puskovye sistemy nereguliruemykh elektroprivodov: Monografiia [Starting unregulated electric system: Monograph]. Kremenchuk: PP Cher-batyh A.V. Publ., 2006. 280 p. (Rus).
8. Lobov V.I. Issledovanie puskovykh i tormoznykh rezhimov asinkhronnykh elektroprivodov s tiristornym parametricheskim upravleniem. Diss. kand. techn. nauk [Research of starting and braking modes of asynchronous electric drives with thyristor parametric-hydraulic control. Cand. tech. sci. diss.]. Moscow, 1983. 269 р. (Rus).
9. Brodsky Y.A., Egorova S.A., Lobov V.I., Shvets S.A. Spo-sob puska maloinertsionnogo asinkhronnogo elektrodvigatelia [Method of starting a fast-response induction motor]. USSR Certificate of Authorship, no.1108589, 1984. (Rus).
Поступила (received) 10.02.2016
Лобов Вячеслав Иосифович1, к.т.н., Лобова Карина Витальевна1, студентка, 1 Государственное высшее учебное заведение «Криворожский Национальный университет», 50027, Кривой Рог, ул. ХХ11 Партсъезда, 11, тел/phone +38 0564 4090635, e-mail: lobov.vjcheslav@yandex.ru
V.I. Lobov1, K.V. Lobova1
SIHE «Kryvyi Rih National University»,
11, ХХ11 Partz'izdu Str., Kryvyi Rih, 50027, Ukraine.
Intensity setter for a device of smooth start of submersible pump electric motor.
Purpose. Development of an intensity setter, which in a rational law changes the opening thyristor the voltage regulator and effectively to changing power supply voltage stator windings of the electric pump deepening, ensuring a smooth start in a wide range. Methodology. Electric submersible pump belongs to the small inertia electric, since it is not significant total moment of inertia, not exceeding two moments of inertia of the motor and static moment on the shaft does not exceed forty percent of the nominal torque. For technical requirements that electric acceleration time should have no less than twenty seconds or more. Office starting modes of electric submersible pumps economically justified using thyristor voltage regulator by forming the dial changes the intensity of the necessary legislation in time voltage feeding the stator windings. This ensures a smooth start right rotor of the electric submersible pump. Results. A block diagram of the intensity setter that is: with control unit, two units that form the exponential voltage supply emitter follower and regulatory elements. The mathematical expressions for voltage at the stator windings of the motor, changing exponentially, opening the angle of thyristor power unit thyristor the voltage regulator, which is determined through the initial angle of opening. Provided formula for pick-up voltage and minimum voltage, time constants, which are determined from the basic equations of motion and mechanical characteristics of the electric motor. Analytical investigated by the voltage dependence violation by changing the time constant flowing and growing exhibitor supply voltage stator electric circuit deepening pump. Originality. Proposed in the initial time on the stator windings of the electric pick-up voltage is applied. Under the influence of this voltage, motor rotor begins to accelerate. At the same time, pickup voltage decreases the minimum startup voltage varies exponentially in which the rotor of the electric motor continues to rotate more steadily. Now the voltage at the motor stator windings increases exponentially to the nominal voltage of the supply network. This start flowing smoothly for the right time to establish nominal rotor speed of the motor. Practical value. Developed dial allows you to increase the intensity of the electric motor acceleration time and reduce the dynamic loads of the electric submersible pump. References 9, tables 1, figures 2.
Key words: submersible pump, induction motor, thyristor voltage regulator, opening angle of thyristor, intensity setter, start-up, acceleration time.
