Введение к работе
Актуальность темы. Установки центробежных насосов (УЦН) электротехнических комплексов (ЭТК) станций перекачки жидкости, как правило, моделируются с помощью обобщенных интегральных характеристик, не позволяющих исследовать поведение ЭТК в динамических режимах работы. Эти режимы обусловлены широким применением в составе УЦН статических преобразователей частоты, а также непостоянным, непрерывно меняющимся водопотреблением, имеющим место в современных системах водоснабжения. Исследования ЭТК, построенных с использованием динамических моделей центробежных насосов (ЦН), необходимы для реализации эффективного и энергосберегающего регулирования технологических параметров (напора и расхода) гидросети, в том числе и с помощью перспективного косвенного (бездатчикового) их определения. Станции перекачки жидкости, в силу технологических процессов обладают одним из самых высоких потенциалов применения энерго- и ресурсосберегающих технологий, что также указывает на актуальность темы диссертации.
Весомый вклад по тематике исследования данной работы в области моделирования электротехнических комплексов внесли такие ученые как: И. П. Копылов, Ю. 3. Ковалёв, В. Я. Беспалов, Ф. Н. Сарапулов и др.; в области моделирования центробежных насосов и лопастных машин: А. Н. Шерстюк, И. М. Вершинин, В. С. Костышин и др.; энергосберегающих технологий в электроприводе: Н. Я. Браславский, Б. С. Лезнов, Г. Г. Соколовский, Н. Ф. Ильинский, В. 3. Ковалёв, М. А. Мустафин, F. Blaschke и др.
Объект исследования - электротехнические комплексы, имеющие в своём составе преобразователь частоты, асинхронный двигатель, центробежный насос.
Предмет исследования - динамические режимы работы электротехнических комплексов установок центробежных насосов.
Цель работы - разработка математических моделей электротехнических комплексов, учитывающих динамические свойства центробежных насосов, а также выявление на их основе оптимальных законов частотного регулирования.
Задачи работы:
-
Разработать модель центробежного насоса, для расчета динамических характеристик УЦН;
-
Разработать динамическую модель ЭТК УЦН с учетом системных связей его отдельных подсистем;
-
Выявить законы частотного управления УЦН, при которых достигается минимум потерь в силовом канале, а также разработать функциональные схемы регулирования и поддержания параметров гидросети на заданном уровне, реализующие эти законы управления, в том числе с помощью бездатчикового определения напора и расхода;
-
Исследовать на экспериментальном стенде статические и динамические характеристики установок центробежных насосов, а также проверить адекватность разработанных математических моделей.
Научная новизна представленной работы заключаются в следующем:
-
С использованием метода пространственного вектора разработана модель центробежного насоса, позволяющая рассчитывать переходные процессы.
-
Синтезирована динамическая модель ЭТК УЦН с учетом системных связей его отдельных частей.
-
Разработана методика построения регулировочных вольт-частотных характеристик при скалярном частотном управлении асинхронного электродвигателя, в зависимости от режимов работы внешней гидросети (статические и динамические гидравлические сопротивления).
Практическая значимость представленной работы заключаются в следующем:
1. Разработаны схемы стабилизации напора в диктующей точке путем
скалярного и векторного регулирования скорости вращения асинхронного
двигателя, реализующие режимы работы станций перекачки жидкости по функции
минимума потерь в силовом канале.
2. Разработана методика настройки систем поддержания напора при скалярном и
векторном управлении асинхронным двигателем, по принципам подчиненного
регулирования.
3. Для исследования статических и динамических характеристик ЭТК УЦН построен программно-измерительный комплекс экспериментального стенда.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 4 свидетельства регистрации программ в ОФЭРНиО.
Методы решения поставленных задач. Решение поставленных задач потребовало привлечения соответствующих разделов теории электрических машин, автоматизированного частотного электропривода, теоретических основ электротехники - синтез электрических цепей, математики - операционного исчисления, теории численных методов решения нелинейных систем дифференциальных уравнений, гидравлики, теории центробежных лопастных машин, теории автоматического управления. Использовалось следующее прикладное программное обеспечение Mathematica, MathCad, Maple, MatLab/Simulink, Lab View, Borland Delphi, ACDLab.
Достоверность результатов подтверждается корректным применением основных теоретических положений, используемых автором для доказательств научных результатов, сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, приведенными в технической литературе и полученными на экспериментальной установке, расхождением расчетных и экспериментальных данных, не превышающим 11%.
Апробация работы. Основные этапы диссертации докладывались на научных конференциях: Международной научно-технической конференции (НТК) «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2004, 2007, 2009); XI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2005); Всероссийской молодежной НТК «Россия молодая: передовые технологии в промышленность» (Омск, 2010, 2011); XII Международной студенческой школе-семинаре (Москва, 2004).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка из ПО наименований и
двух приложений. Основная часть работы изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 82 рисунка и 11 таблиц.
