Диссертация для присвоения степени магистра технических наук

Режимы работы электропривода.
Как правило, любая электромеханическая система может находиться в одном из трех режимов:
1) переходного;
2) нормальной эксплуатации;
3) аварийном.
В режиме пуска система управления должна обеспечить заданный режим технологического процесса за кратчайшее время при минимальных затратах электрической энергии и износе оборудования.
В режиме остановки во многих электромеханических системах можно ограничиться простым обесточиванием всех механизмов, но в некоторых случаях возникает необходимость завершить технологический процесс с учетом принятия всех мер безопасности и сохранности оборудования.
Аварийный режим является очень существенным для всех систем автоматизации технологических процессов и поэтому система должна обеспечивать безопасность обслуживающего персонала и сохранность оборудования. Вот почему, основной задачей любой системы управления является предотвращение возможности возникновения аварийной обстановки.
В режиме нормальной эксплуатации система должна обеспечить требуемое протекание технологического процесса, которая обеспечивается применением замкнутой системы автоматического регулирования.
Рассмотрим режимы пуска и нормальной эксплуатации ЭП установок центробежного типа.
Выбор силового преобразователя частоты
Так как для привода насоса используют высокоскоростной асинхронный двигатель, то примем преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока. На рис. 4.1 представлена укрупненная схема электропривода насоса по системе ППЧ-АД.



Рис. 4.1 Принципиальная схема системы ППЧ-АД с промежуточным звеном постоянного тока

ПЧ выбираем из следующего условия:

Технические характеристики преобразователей частоты
Рассмотрим технические характеристики преобразователя частоты для систем водоснабжения:
- ПЧ должен иметь встроенные входные силовые дроссели в звене постоянного тока;
- ПЧ должен иметь встроенный RFI – фильтр;
- ПЧ должен быть специализированным и разработаным специально для использования в системах водоснабжения.
Преобразователь должен обеспечивать защиты:
- от обрыва фазы питающей сети;
- от обрыва выходной фазы;
- от короткого замыкания на землю;
- от превышения тока двигателя;
- от перегрева двигателя (термодатчик и тепловая модель двигателя);
- от «сухого хода» насоса.
Преобразователь должен обеспечивать:
- режим заполнения трубопровода, который предотвращает гидравлические удары;
- режим обнаружения разрывов и утечек;
- режим чередования насосов – рабочий / дежурный для одинаковой наработки часов;
- режим компенсации расхода, который использует изменение сопротивления потоку при изменении расхода, что дает дополнительное энергосбережение;
- режим начального и конечного темпов разгона/замедления для предотвращения повреждения опорных узлов и подшипников, и избежания случайного закрытия обратных клапанов и гидравлического удара;
- режим ожидания, при котором двигатель останавливается при низком расходе («спящий режим») и автоматически включается при снижении давления ниже установленного уровня;
- режим программированной задержки на включение и отключение преобразователя частоты;
- режим автоматической адаптации двигателя, который позволят автоматически определить реальные параметры двигателя, что в дальнейшем дает дополнительную экономию электроэнергии;
- режим автоматической оптимизации энергопотребления, при котором параметры выходного напряжения регулируют с учетом реальной нагрузки, что дает дополнительную экономию;
- режим поддержания давления без датчика давления.
Преобразователь должен иметь:
- русифицированное меню;
- выносной пульт управления с графическим дисплеем, который позволяет программировать ПЧ, копировать параметры одного преобразователя частоты и устанавливать их на другой, одновременно отображать пять текущих параметров, сигнализацию рабочих и аварийных режимов;
- программируемые цифровые и аналоговые входы/выходы;
- программируемые реле с «сухими» контактами для использования в системе автоматики;
- полнофункциональный встроенный каскадный контроллер, который формирует сигналы (сухие контакты) на включение двух дополнительных насосов (опционально еще трех дополнительных насосов) для обеспечения заданного давления при увеличении расхода, когда мощности насоса окажется недостаточно;
- встроенный таймер реального времени, который позволяет программировать уставку давления в зависимости от времени суток, дня недели, праздничных и выходных дней;
- встроенный логический контроллер, который позволяет автоматизировать технологический процесс без внешних дополнительных устройств;
- встроенный ПИД-регулятор с автоматической настройкой коэффициента усиления для компенсации изменяющихся характеристик нагрузки и возможностью установки дополнительных трех ПИД-регуляторов (опция) для управления внешними клапанами и задвижками.
- встроенный технологический счетчик кВт /час;
- встроенный USB и RS485 порты;
- поддерживать протоколы Modbus RTU, Profibus, DeviseNet, LonWorks.
Преобразователь частоты должен иметь опцию режима обхода, при котором один преобразователь частоты используется для поочередной работы с несколькими двигателями.
Преобразователь частоты должен допускать подключение двигателя на растоянии не менее 300 м, допускать работу при температуре окружающей среды до 50 0 С, иметь конструктивное исполнение от ІР20 до ІР55, иметь дополнительное защитное покрытие компаундом электронных плат, что повышает надежность работы преобразователя частоты в условиях повышенной влажности и запыленности.
Выбор преобразователя
В качестве преобразователя выбираем современные преобразователи частоты с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Так как они являются наиболее преспективными по сравнению с преобразователями с АНМ, из-за более высоких энерегетических показателей и коэффициента мощности. Современные частотные преобразователи с ШИМ имеют КПД и коэффициент мощности не ниже 0,97. Помимо этого преобразователи частоты с ШИМ выпускаются и без согласующего трансформатора, что существенно улучшает его энергетически, эксплуатационные и массогабаритные показатели.
Для двигателей с мощностью 260 кВт наиболее подходящие с нашей точки зрения является преобразователь ПЧ «Универсал» (производство Института биологического приборостроения РАИ, Россия), имеющий технические характеристики приведенные в материалах Интернет.
Выбор элементов транзисторного преобразователя частоты с ШИМ
Принципиальная схема ПЧ с ШИМ состоит из: выпрямителя В, фильтра Сф, инвертора И, двигателя М
Номинальный ток двигателя равен


Максимальный пусковой ток двигателя


Учитывая, что ток электродвигателя ограничивается, примем Мmax=Мпуск=1,4; тогда максимальный допустимый ток двигателя при пуске будет равен



При присоединении к инвертору нагрузки соединенной в звезду напряжение на выходе преобразователя будет иметь двухступенчатую форму с амплитудой каждой из ступеней Uп/3 и 2Uп/3


Базисное значение тока:


Значение тока нагрузки фазы:


Если принять, что ток нагрузки синусоидален, то относительное максимальное значение каждого транзистора:


Ток шунтирующего диода опеделяется по следующей формуле


Среднее значение тока инвертора:


Действующее значение тока входного конденсатора




Емкость фильтра:

В

Ф
Параметры конденсаторов
С=0.05 Ф

Выбор диодов выпрямителя

В
Наибольшее обратное напряжение на вентиле:


Средний ток вентиля

Технические данные ПЧ «Универсал» (производство Института биологического приборостроения РАИ, Россия)

Выход	Число фаз	3
	Выходное напряжение, В	0 – напряжение питающей сети
	Диапазон выходных частот, Гц	0,5–512
	Диапазон регулирования скорости: в разомкнутой системе в замкнутой системе	1:50 1:100
	Принцип управления	Закон управления U/f
	Способ модуляции	Синусоидальная центрированная ШИМ
	Тактовая частота ШИМ, кГц	4,8
Вход	Число фаз	3
	Напряжение питающей сети, В	380 ±20 %
	Частота питающей сети, Гц	50 (60)
	Коэффициент мощности cosφ	0,95
	Коэффициент полезного действия	0,97 при нагрузке 100 %
Рабочие функции	Задание частоты или технологической переменной	Числовое задание с пульта оператора Потенциометр (10 кОм) 0–5 В, 0–10 В, ±5 В, ±10 В 0–5 мА, 4–20 мА Последовательный канал связи RS-232
	Уставки задания частоты или технологической переменной	Восемь постоянных настраиваемых уставок, выбор через дискретные входы
	Дискретность задания частоты, Гц	Аналоговые входы: 0,02 для 100 Гц (максимум) Остальные источники: 0,015
	Подача команд «Пуск» («Стоп»), «Запрет работы», «Реверс»	С пульта оператора Через дискретные входы По последовательному каналу связи RS-232
	Тахограммы разгона (замедления)	Линейная или S-образная Выбор одного или двух уровней интенсивностей (отдельно для разгона и для замедления) Выбор начальной частоты пуска
	Торможение	Блокировка инвертора и выбег двигателя Программное торможение до минимальной частоты Динамическое торможение (торможение постоянным током)
	Подключение внешних устройств	Подключение внешнего тормозного резистора для приема энергии торможения Управление механическим тормозом

Рабочие функции	Регулятор технологической переменной		Встроенный ПИД-регулятор с возможностью коррекции по возмущению (ввод положительной обратной связи) Настраивается каждая составляющая
	Встроенные функции: работа со станциями группового управления (СГУ) производства ИБП РАН		Двунаправленное взаимодействие между СГУ и ПЧ посредством входных и выходных дискретных сигналов. Автоматическое обеспечение резерва от ПЧ или от сети Взаимодействие с системой автоматики центрального теплового пульта (БАТ, «Мастер») Плавный перевод двигателя с сети на ПЧ и обратно
Сервисные функции	Повторный пуск двигателя		Автоматический повторный пуск после некоторых видов аварий, количество перезапусков настраивается Настройка времени выбега двигателя (до 4 мин) для защиты от пуска еще не остановившегося двигателя «Подхват» двигателя – перезапуск вращающегося двигателя с той же частоты
	Банк аварийных ситуаций		Для контроля и диагностики работы привода во внутреннем ОЗУ запоминаются 20 последних аварийных ситуаций
	Исключение резонансных зон		Настройка двух диапазонов запрещенных для работы частот
	Режимы коррекции		Коррекция выходного напряжения в зависимости от напряжения питающей сети Коррекция интенсивности набора частоты при увеличении фазного тока Коррекция интенсивности снижения частоты при увеличении напряжения в звене постоянного тока Коррекция задания выходной частоты (в установившемся режиме) при увеличении фазного тока
	Повышение крутящего момента при пуске		Кратковременное увеличение выходного напряжения для преодоления повышенного момента трогания
Защитные функции	Защиты преобразователя		Быстродействующая аппаратная защита силовых ключей От понижения или повышения напряжения в звене постоянного тока От неправильной работы входного тиристорного выпрямителя При пропадании питания От короткого замыкания на корпус
	Защиты двигателя		Максимально токовая От обрыва фазы, перекоса фаз Тепловая защита
Опции		Внешние	Возможность подключения датчика температуры двигателя
		Внутренние	Возможность программного изменения во времени задания на частоту или технологическую переменную; настройка циклограмм (программ циклического формирования уставки задания в реальном времени) с пульта оператора Возможность архивирования (сброса во внутреннюю память) параметров технологического процесса для последующей диспетчеризации и анализа Цифровое осциллографирование внутренних переменных ЭП и параметров технологического процесса Возможность объединения ПЧ в локальную промышленную сеть стандарта RS-485 (двухпроводная линия) для согласованного управления несколькими рабочими станциями
Исполнение		Стандарт защиты	IP20
		Температура окружающей среды, °С	При полной нагрузке от 0 до +40°С При транспортировке и хранении от -20 до +40°С
		Сертификация	РСт

Типоразмеры ПЧ «Универсал»

Технические данные	Типоразмер
	15	18,5	22	30	37	45	55		75	110	160		220		320
Номинальная мощность двигателя (М=const), кВт	15	18,5	22	30	37	45	55		75	110	160		220		320
Номинальный ток преобразователя (М = const), A	31	38	43	57	71	86	110		144	216	325		432		650
Допустимая перегрузка (М = const)	150% номинального тока ПЧ в течение 1 мин
Номинальная мощность двигателя (М~п^2), кВт	20,8	25,6	29	38	51	58	74		110	150	220		300		440
Номинальный ток преобразователя (М~п^2), А	39	40	54	71	96	108	138		216	288	432		576		864
Допустимая перегрузка (М~п^2)	120 % номинального тока ПЧ в течение 1 мин
Габаритные размеры (см. рис. П7.22), мм: высота А ширина В глубина С	520 340 320	600 340 320	670 340 320	670 340 320	850 340 320	1000 340 320		750 600 580	900 600 580	1300 600 580		1000 600 750		1300 1200 580		1000 1200 750
Масса, кг	24	30	35	45	60	70		80	110	160		240		300		400