Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Методы и способы управления производительностью насосных станций в системах городского водоснабжения 13
1.1 Анализ методов регулирования электроприводов насосных агрегатов 13
1.2 Применение частотно-регулируемого привода для управления насосными агрегатами 22
1.3 Методы регулирования, используемые в преобразователях частоты для управления двигателями переменного тока 26
1.4 Автоматика многонасосных станций повышения давления с частотным регулированием 34
1.5 Структура автоматизированной НС
1.7 Природа добавочных потерь в асинхронных двигателях 38
1.8 Зависимость добавочных потерь от режима работы двигателя 40
1.9 Показатели степени искажения синусоидальности питающего напряжения 42
1.10 Последствия наличия в питающей электросети высших гармоник напряжения 44
Выводы 50
ГЛАВА 2 Анализ работы насосных станций с повышенной аварийностью технологического оборудования 53
2.1 О совершенствовании информационного обеспечения потребителей насосных агрегатов для систем городского водоснабжения. 53
2.2 Анализ работы насосных станций систем водоснабжения 56
2.2 Электромагнитная совместимость в электроприводе насосов
2.4 Алгоритмы ЧРП 62
Выводы 64
ГЛАВА 3 Разработка математической модели системы автоматического регулирования электродвигателя насосного агрегата 67
3.1 Разработка модели асинхронного электродвигателя, поддерживающей реализацию различных алгоритмов управления 68
3.2 Математическое описание координатных преобразований 74
3.3 Математическая модель АД с векторным управлением 75
3.4 Расчт механической характеристики АД 3.6 Разработка модели насоса и системы трубопроводов 92
3.7 Влияние алгоритмов управления электродвигателем на его эксплуатационные характеристики 97
3.8 Влияние эксплуатации электродвигателей при пониженных частотах напряжения на дополнительные потери электроэнергии 105
3.9 Моделирование работы насосного агрегата в сети водопотребления при различных алгоритмах управления
3.10 Сравнение системы последовательного и параллельного управления электродвигателем 114
3.11 Модальное управление 126
3.12 Модель электродвигателя с нечтко-модальным регулятором 129
Выводы 138
ГЛАВА 4 Анализ эффективности использования пч на насосных агрегатах 142
4.1 Преимущества ЧРП при управлении насосными агрегатами 142
4.2 Недостатки ЧРП 143
4.3 Гармонический анализ обмоток электродвигателей насосов 145
4.4 Анализ работы ПВНС в г. Петропавловске-Камчатском. Разработка алгоритма управления электродвигателями насосной станции при использовании РЧВ малой мкости. 151
4.5 Внедрение результатов проведенной работы 158
Выводы 160
Заключение 161
Список использованных литературных источников 164
Приложение а 171
- Автоматика многонасосных станций повышения давления с частотным регулированием
- Анализ работы насосных станций систем водоснабжения
- Моделирование работы насосного агрегата в сети водопотребления при различных алгоритмах управления
- Гармонический анализ обмоток электродвигателей насосов
Введение к работе
Актуальность исследований обусловлена массовым переоснащением и модернизацией электроприводов в системах водоснабжения на основе использования алгоритмов частотного регулирования и необходимостью поддержания эксплуатационных показателей надежности электродвигателей на высоком уровне.
Энергоэффективность и энергосбережение входят в список
приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ. В
диссертации рассматриваются алгоритмы и методы управления
электродвигателем, позволяющие снизить затраты при его использовании, а также сохранить высокий уровень эксплуатационных характеристик двигателя.
По разным источникам потенциал экономии энергопотребления насосными системами составляет около 60%. Созданию энергоэффективных и экономичных режимов работы насосных агрегатов до сих пор уделяется недостаточно внимания, что приводит к нерациональным затратам электроэнергии от 5 до 15% в процессе перекачки чистых и сточных вод.
Асинхронный двигатель (АД) является основным источником энергии
для всех видов насосов. Использование частотного преобразователя (ЧП)
позволяет снизить пусковой ток и осуществлять плавное регулирование
скорости вращения электродвигателя. Однако при этом возникают
добавочные потери от высших гармоник напряжения, происходит снижение
максимально допустимого электромагнитного момента двигателя из-за
повышенного нагрева, появляются пульсации момента, взаимодействие
магнитных полей вызывает дополнительный шум, снижается долговечность
изоляции, возникают подшипниковые токи, снижается к.п.д.
электродвигателя. Экономия на электроэнергии выливается в повышенную аварийность оборудования и может привести к еще большим финансовым тратам.
В таком случае возникает вопрос: устанавливать или не устанавливать
частотный преобразователь для управления электродвигателями.
Необходимо найти компромиссное решение, принятие которого позволит экономить электроэнергию и при этом не приведт к снижению эксплуатационных характеристик электродвигателей.
Кроме решения прямой задачи энергосбережения предложенные в работе алгоритмы решают задачу оптимального управления приводами насосов. В результате может быть получен дополнительный эффект экономии средств от повышения эксплуатационных характеристик технологического оборудования.
Степень разработанности темы. Исследованиями в области повышения энергетической эффективности и эксплуатационной наджности асинхронных электродвигателей занимались учные Гаинцев Ю.В., Лезнов Б.С., Браславский И.Я., Щека В.Н., Волков А.В., и др. Работы в данном направлении проводились в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, в ООО "РИТЭК ИТЦ", в НПФ "Новомет-Пермь", в ОАО "РИМЕРА".
Общими недоработками исследований по данному направлению
являются отсутствие определения и обоснования границ диапазона
частотного регулирования асинхронных электродвигателей
общепромышленного назначения; отсутствие сравнительной оценки влияния
алгоритмов управления асинхронным электродвигателем на их
эксплуатационную наджность.
Цель диссертационной работы заключается в совершенствовании
систем электропривода насосов путем разработки и внедрения алгоритма
энергоэффективного управления двигателями насосов в условиях
использования частотно-регулируемого привода (ЧРП), путем разработки
модели ЧРП, в которой учтены процессы, влияющие на деградацию
подшипникового узла, и построения компьютерных экспериментов для
сравнения показателей качества регулирования и оценки показателей
надежности при различных алгоритмах управления. В осуществлении
разработки программного обеспечения, позволяющего осуществлять выбор
насосных агрегатов различных производителей для систем городского
водоснабжения.
Для достижения поставленной цели в диссертации потребовалось решить следующие задачи:
-
провести анализ аварийности технологического оборудования насосных станций городской сети водоснабжения в условиях внедрения ЧРП;
-
выявить причину повышенной аварийности технологического оборудования городских насосных станций, касающихся проблем эксплуатации электроприводов;
-
разработать модель скалярного и векторного частотного управления электроприводом, в которой учтены процессы влияющие на деградацию подшипникового узла асинхронных двигателей;
-
произвести сравнение различных алгоритмов управления электроприводом с целью выявления их влияния на эксплуатационную надежность асинхронных электродвигателей;
-
разработать алгоритм управления электродвигателями насосной станции, оснащенной ЧРП, повышающий их эксплуатационные характеристики;
-
разработать и опробовать программное обеспечение, позволяющее обеспечить выбор насосных агрегатов для нужд городского водоснабжения с заданным набором критериев.
Объект исследования: Объектом исследования в работе является асинхронный электропривод центробежных и погружных насосов, предназначенных для работы в системах городского водоснабжения.
Методы исследования: Теоретические исследования выполнены с
привлечением теории электропривода, теории автоматического управления,
классической теории импульсных и цифровых систем, непрерывного и
дискретного преобразований Лапласа, метода пространства состояний и
передаточных функций, метода имитационного моделирования с
использованием средств моделирования математической системы Matlab и инструментальных средств этой системы: программного пакета Simulink, пакета физического моделирования SimPowerSystems. Также используются
физические методы исследования с применением лабораторных и действующих установок.
Достоверность полученных результатов подтверждается
корректностью исходных предположений и допущений, высокой степенью совпадения расчетных и экспериментальных результатов, использованием апробированных программных средств для математического моделирования процессов, протекающих в асинхронном электроприводе.
Научная новизна и практическая значимость представленной диссертационной работы заключается в следующем:
-
определены и подтверждены экспериментально зависимости общего уровня виброскорости асинхронного электродвигателя в составе электропривода насосной станции от величины люфта вала при скалярном и векторном управлении частотой вращения ротора;
-
разработана и экспериментально апробирована математическая модель электродвигателя, позволяющая проводить математические эксперименты, используя различные алгоритмы управления, сравнивать алгоритмы между собой, отслеживать электромагнитные процессы системы в переходных режимах работы двигателя с учетом люфта вала;
-
выполнена оценка влияния использования различных алгоритмов управления на интервал времени межремонтных промежутков;
-
разработана и опробована в промышленных условиях установка, функционирующая на основании алгоритма управления двигателями насосной водопроводной станции, запитанными от ПЧ, при постоянно изменяющейся нагрузке, учитывающего эксплуатационные характеристики общепромышленных электродвигателей.
Внедрение результатов работы: Разработанные математические
модели реализованы в среде MATLAB, обеспечивающей переход к
микропроцессорным реализациям алгоритмов управления. Их использование
позволяет проводить исследования работы электродвигателя при различных
способах регулирования и разнообразных функциях нагружения
асинхронного электропривода насосных агрегатов.
В МУП "Петропавловский водоканал" внедрена база данных насосных агрегатов для систем городского водоснабжения, а также внедрены алгоритм управления электродвигателями насосных агрегатов и журнал ремонтно-эксплуатационных работ.
Результаты проведенных экспериментов внедрены в учебный процесс филиала ДВФУ в г. Петропавловске-Камчатском для проведения занятий по дисциплине "Автоматизация и управление процессами теплогазоснабжения и вентиляции".
Для повысительной водопроводной насосной станции (ПВНС) «Солнечная 19/1» г. Петропавловск-Камчатский в соответствии с е графиком водопотребления осуществлено оснащение насосными агрегатами, выбор которых выполнен с использованием внедрнного на предприятии программного обеспечения.
Область применения результатов: Основной областью применения результатов работы являются системы городского водоснабжения,
использующие ЧРП. Результаты работы также используются в учебном процессе.
На защиту выносятся следующие научные положения:
-
результаты анализа дефектов асинхронных двигателей, выявленных в ходе внедрения и эксплуатации ЧРП на станциях городского водоснабжения, позволяющие сделать вывод о необходимости ограничения частотных диапазонов регулирования при применении серийных асинхронных двигателей;
-
модель электропривода, реализованная с помощью структурного моделирования в среде Simulink, позволяющая отслеживать изменение электромагнитных и механических величин в асинхронном электродвигателе для разных алгоритмов управления и сравнивать влияние алгоритмов управления на эксплуатационную наджность электродвигателя;
-
оценка влияния алгоритмов управления на время межремонтных промежутков асинхронного электродвигателя в условиях применения ЧРП;
-
алгоритм управления двигателями насосной водопроводной станции, регулируемыми ПЧ, при постоянно изменяющейся нагрузке, учитывающий эксплуатационные характеристики общепромышленных электродвигателей, повышающий энергоэффективность электропривода насосов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались
и обсуждались на заседаниях кафедры «Радиооборудование и
электрооборудование судов» Камчатского государственного технического
университета, на заседании кафедры "Теоретической электротехники и
электрификации промышленности" Российского государственного
университета нефти и газа имени И. М. Губкина, а также на следующих конференциях:
2 Всероссийской научно-практической конференции «Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование», г. П.-Камчатский, 15–18 марта 2011 г.;
Международной научно-технической интернет конференции «Информационные системы и технологии», г. Орл, 1 апреля–31 мая 2011 г.;
4 Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь в современном мире: гражданский, творческий и инновационный потенциал» г. Старый Оскол, 2012;
4-й всероссийской научно-практической конференции «Наука, образование, инновации: пути развития»,г.П-Камчатский, 21-25 апреля 2013г.;
научно-технической конференции молодых учных «Электротехнические комплексы и системы в нефтяной и газовой промышленности», РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, г.Москва 29-30 октября 2013г.;
научно-практической конференции «Наука и инновации: вопросы теории и практики», г.П-Камчатский, 20 марта 2014 г;
Получен грант на проведение НИОКР, проводимые с 2011 г. в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса», финансируемого фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по теме «Разработка нечтко-модального регулятора для регулирования электроприводов насосных станций», регистрационный № 01201253668.
Публикации. По результатам проведенных исследований по теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, из них 2 работы в изданиях из перечня ВАК России.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырх глав, заключения, списка использованных литературных источников из 118 наименований. Е содержание изложено на 211 страницах машинописного текста, включая 77 рисунков, 10 таблиц, 6 приложений.
Автоматика многонасосных станций повышения давления с частотным регулированием
Снижение КПД НС, эксплуатационных характеристик технологического оборудования приводит к сокращению НС, для которых используются вышеописанные методы регулирования. С помощью изменения угла установки лопастей рабочего колеса возможно регулирование подачи диагональных и осевых насосов, у которых имеются поворотные лопасти рабочего колеса. Угол поворота лопасти можно изменять как при остановке насоса, так и в режиме работы. При этом диапазон регулирования подачи широкий. Чем выше статический напор системы Нcт, тем эффективней данный метод регулирования.[93] С помощью частотного регулирования (ЧР) осуществляется непрерывное изменение производительности НС, сопровождающееся меньшими энергетическими затратами, чем в предыдущих случаях. При этом недостатком является высокая стоимость оборудования осуществляющего регулирование, особенно для технологического оборудования мощностью выше средней. При ЧР ухудшается электромагнитная совместимость с электросетью, происходит снижение эксплуатационных характеристик серийных электродвигателей, что требует принятия ряда дополнительных мер для повышения наджности системы. Этот способ регулирования становится все перспективней в связи со снижением цен на регулируемые электроприводы.[15]
На практике также используется совмещение разных способов регулирования. При регулировании насосного агрегата перепуском по малому контуру с закруткой потока перед рабочим колесом происходит изменение характеристики насоса вследствие отвода с выходного патрубка в выправляющий аппарат через кольцевой регулируемый зазор между рабочим колесом насоса и корпусом непосредственно во всасывающую полость. В литературе подобный отвод жидкости рассматривается лишь как утечка через щелевое уплотнение изменяющая объмный КПД, при этом гидравлический КПД не учитывается. Энергопотери в выправляющем аппарате составляют 5-10%. Снижение расхода основного потока жидкости снижает энергетические затраты во входной и входной линии, а также в выправляющем аппарате. Также снижает затраты, по сравнению с дросселированием, закрутка потока перед рабочим колесом насоса.[94]
Возможно сочетание дросселирования с перепуском. В конструкцию насосного агрегата встроен подвижный цилиндр с отверстиями, имеющий возможность осевого перемещения. Снижение нагрузки насоса приводит к уменьшению подачи и росту давления, цилиндр начинает сдвигаться в направлении рабочего колеса, перекрывая его входное сечение. Перепуск потока жидкости с напорной стороны на всасывающую обеспечивают отверстия в цилиндре - он постепенно нарастает по величине.[94]
На практике возникает ситуация, когда необходимо регулирование за пределами характеристики насоса. В таком случае применяют сочетание лопастного и гидроструйного насосов, увеличивая напор или подачу.[95] Широко используется ступенчатое регулирование вместе с частотно регулируемым приводом (ЧРП).[15] Из 2-3 насосов регулируемым приводом оснащается один насосный агрегат.[34] Выбор включенных в работу насосов и способа регулирования определяет потребляемую мощность для каждого электропривода насоса и для НС в целом. Критерием оптимизации является осуществление заданного режима работы НС, обеспечивающего необходимое давление и подачу при минимизированном потреблении электроэнергии, используя все доступные способы регулирования.[26]
При этом возникают следующие задачи: пересчт и идентификация реальных характеристик насосов, которые обычно не соответствуют паспортным и изменяются в результате износа; построение общей характеристики для группы насосов по определенным характеристикам отдельных насосов. Эти задачи легко решаются при наличии компьютерного программного обеспечения и средств измерений для проведения натурных испытаний. Оптимизация регулирования в таком случае не составляет трудностей - давно разработаны соответствующие методы и алгоритмы, проверенные практикой.
Результатом решения задачи оптимизации для каждого момента времени будет выработка управляющего решения (включение или отключение насосных агрегатов, изменение скорости вращения рабочего колеса насоса), которое приведет к перемещению рабочей точки совокупной характеристики НС в положение с минимально достижимой в данный момент потребляемой электрической мощностью.[26]
Управляющие воздействия могут осуществляться автоматически при установке технических средств телеметрии и дистанционного управления. Если средства телеметрии отсутствуют то сигналы отправляются вручную диспетчерским персоналом, а оптимизация выполняется лишь при существенном изменении технологических параметров НС.[26]
На практике КПД насосных систем составляет в среднем 40%, при этом используемые на них насосы при работе в номинальном режиме имеют КПД выше 70%. [34] Основные энергетические потери связаны с использованием методов регулирования, неоправданно снижающих КПД системы (дросселирование), с неправильным подбором насосов (выбор насосных агрегатов с большей мощностью, чем требуется для работы НС), с износом оборудования, с недостаточным уделением внимания характеристике системы водоснабжения (для системы с преобладанием динамической составляющей - потери на гидравлическое сопротивление - более оправдано применение ЧР, для системы с преобладанием статической составляющей более оправдано применение каскадного регулирования).[34] Анализ методов регулирования показал, что большинство применяемых методов приводит к значительному снижению КПД НС (дросселирование, регулирование перепуском, использование гидромуфт), ряд методов снижает эксплуатационные характеристики технологического оборудования (частотное регулирование, ступенчатое регулирование).
Можно заключить, что возникает необходимость совершенствования существующих алгоритмов управления. Наиболее эффективным способом энергосбережения является сочетание нескольких методов регулирования. В результате нужно получить алгоритм управления, учитывающий факторы неоправданного снижения КПД системы электроприводов насосов, обеспечивающий высокий уровень эксплуатационных характеристик технологического оборудования.
Анализ работы насосных станций систем водоснабжения
В сложившейся ситуации нельзя стремиться к системе управления ПВНС за счет изменения частоты в широком диапазоне, так как двигатель, специально не спроектированный для питания от ПЧ, выходит из строя за 1-1,5 года. Необходимо искать компромиссное решение, использующее преимущества частотного регулирования с учетом эксплуатационных требований к электродвигателям.
Эта задача может быть решена путем разработки нового алгоритма управления, применимого для уже оснащенных ПЧ насосных станций.
Работа ЧП основана на идее разделения управляющего сигнала напряжения на прямоугольные импульсы. Реализуется это посредством сверхбыстрых полупроводниковых ключей (IGBT), генерирующих высокочастотные помехи в широком спектре. Требуется установка дополнительных фильтров, чтобы снизить уровень данных помех.
Помимо этого полупроводниковые ключи очень быстро переходят из открытого состояния в закрытое, что является причиной возникновения резких скачков напряжения с уклоном du до 10 кВ/мкс. В результате dt возникает большая нагрузка на изолированные провода обмоток электродвигателя, что приводит к повышенному износу изоляционного слоя. Производителями гарантируется безотказная работа электродвигателей лишь при значениях du менее 1 кВ/мкс. Регулировка значения уклона du также dt dt возможна посредством синусоидальных фильтров.[68] Резкое повышение напряжения, являющееся следствием переотражения волн, может стать причиной пробоя изоляции обмоток электродвигателя. Следует учитывать особенности распространения в проводниках высокочастотных волн при подключении электродвигателя. Волновое сопротивление сильно влияет на характеристики электрического кабеля большой длинны. Электропривод генерирует импульсы напряжения, которые в виде отраженных волн поступают на клеммы двигателя. Отражение волн от концов кабеля может привести к двукратному росту выходного напряжения привода. Лаковая изоляция обмоток электродвигателя не рассчитана на такие нагрузки, и это может стать причиной пробоя изоляции. Для устранения данного эффекта применяют синусоидальные фильтры, которые уменьшают напряжение на клеммах электродвигателя, предотвращая его повреждение.[68] На валу двигателя возможно появление потенциала напряжения даже при идеальном синусоидальном сигнале, являющееся следствием несимметричной конструкции электродвигателя. Данный потенциал приводит к возникновению низкочастотного тока через подшипники и заземление. При использовании высокочастотных IGBT-транзисторов указанная проблема усугубляется. Электроэрозия дорожек подшипников приводит к их быстрому износу. Эту проблему решают установкой синусоидальных фильтров, стабилизаторов подшипниковых токов, использованием специальной диэлектрической смазки, токоизолирующих подшипниковых муфт. Высокочастотные импульсы электропривода вызывают высокочастотные синфазные помехи, являющиеся причиной подшипниковых токов. Каждое изменение уровня помех влечет появление потенциала на оси двигателя, при этом разряд имеет возможность пройти лишь через подшипники.[68]
Вероятность возникновения высокочастотного подшипникового тока и его амплитуда зависят от толщины смазочного слоя и типа смазки. Скорость роста напряжения при переключении и его величина в промежуточном контуре оказывают непосредственное влияние на величину синфазных помех и косвенно воздействуют на амплитуду подшипниковых токов.
Есть следующие типы подшипниковых токов: высокочастотные круговые токи в системе ротор-ось-подшипники-статор, приводящие к наибольшим повреждениям подшипников посредством электроэрозии, высокочастотные токи утечки на землю (причиной их появления является плохое заземление статора; они могут уходить также в приводной механизм через подшипники), и токи емкостных разрядов (случайные пробои изоляции, происходящие при появлении напряжения на роторе). [68]
Используя стабилизаторы тока, есть возможность снизить уровень шумов и, как следствие, подшипниковых токов в среднем в 5-10 раз. Синусоидальные фильтры могут снизить уровень шумов и сгладить характеристику уклона du и тем самым предотвратить износ изоляции от dt частичных разрядов. Производители ПЧ рекомендуют использовать данные защитные меры в комплексе, что поможет обеспечить качественное питающее напряжение и уменьшить подшипниковые токи. Но на осмотренных насосных станциях не приняты меры по улучшению электромагнитной совместимости оборудования и снижению аварийности. Причиной тому могло стать недостаточное информирование производителями ПЧ потребителей о имеющихся недостатках приобретаемого оборудования, установка которого должна предусматривать комплекс дополнительных мер по защите собственного технологического оборудования. Второй причиной является дороговизна принятия дополнительных защитных мер. Это актуально в масштабах насосных станций небольшой мощности, для которых приобретение дополнительных фильтров, стабилизаторов и принятие мер, требующих вмешательства в конструкцию электродвигателей, соотносимо со стоимостью всей системы управления НС. Причиной высокой аварийности на обследуемых НС также является неправильный подбор насосных агрегатов под характерные режимы работы НС. Примером тому может служить НС Артиллерийская, оснащенная ЧРП, но тем не менее, отличающаяся безаварийной работой в течении длительного времени (таблица 1). Насосные агрегаты, используемые на данной НС, в основном работают при номинальных параметрах питающего напряжения, лишь изредка снижая производительность на короткие промежутки времени. Данный факт подчркивает необходимость правильного подбора двигателей при разработке НС, так, чтобы свести к минимуму факторы снижения частоты питающего напряжения, и разработки алгоритма управления электроприводами насосов, не допускающего снижения частоты ниже критического для установленного оборудования уровня.
Моделирование работы насосного агрегата в сети водопотребления при различных алгоритмах управления
По полученным значениям виброскорости с использованием данных о времени межремонтных промежутков электродвигателя из упомянутой научной статьи была дана оценка времени межремонтных промежутков для исследуемых алгоритмов.
Скалярное управление практически не дает прироста времени межремонтных промежутков. Алгоритм скалярного управления предполагает управление с последовательной коррекцией. При этом осуществляется косвенное управление током посредством напряжения. Моделирование работы электродвигателя с использованием закона управления для постоянного момента нагрузки и закона управления при вентиляторной нагрузке не выявило значительных преимуществ в повышении показателей надежности при том или ином законе, так как механизм воздействия на момент остается тем же.
Модальное управление за счет параллельных обратных связей ускоряет воздействие на объект управления, что важно при выборке люфта для снижения виброскорости, и улучшает его динамические свойства. Модальное управление воздействует на момент по амплитуде тока, но не затрагивает воздействия по фазе.
Векторное же управление при ориентации системы координат по потокосцеплению ротора позволяет управлять электромагнитным моментом изменением проекций тока статора на оси координат. При этом осуществляется регулирование амплитуд и фаз токов статора.
Из приведенного графика рассчитан прирост времени межремонтной эксплуатации, который возникает при использовании скалярного, модального и векторного управления: k , о.е. , рад 0 0,0005 0,001 0,0015 Скалярное управление Векторное управление Модальное управление Рисунок 30 - Прирост времени межремонтной эксплуатации (k в - коэффициент соотношения по сравнению с эксплуатацией электродвигателя без управления) для алгоритмов управления в зависимости от люфта Векторное управление дат лучшие результаты за счт возможности управления моментом используя несколько координат двигателя - частоту поля ротора 2 и потокосцепление d - что позволяет быстро реагировать на отклонения момента от установленной величины. При люфте в 0,001 рад средства диагностики рекомендуют провести профилактику подшипникового узла, однако эта замена не всегда возможна сразу.
Другие факторы, помимо люфта, приводящие к дефектам подшипников не анализировались. Достоверность данной оценки подтверждается согласованием данных на модели с научными результатами Кременчугского университета, и адекватностью механических характеристик модели с натурным экспериментом.
Ряд измерений качества электроэнергии, питающей электродвигатель от ЧП, проведенных на ВНС города, позволяет судить о влиянии режимов работы при пониженных частотах на электродвигатели насосов и о возникающих дополнительных затратах электроэнергии.
Анализаторы качества электроэнергии подключались к линиям исходящим от частотного преобразователя как указано на схеме: искажений. Видно, что снижение частоты приводит к росту гармоник. При этом токовые гармоники не создают полезной работы, увеличивают потерю на подводящих проводах, расходуются на нагрев. При повышении частоты, кратные гармоники искажений уходят выше по частотной оси и фильтруются самими электротехническими устройствами (трансформаторами, обмотками двигателей и т.д.) А при снижении частоты питающего напряжения кратные искажающие частоты приближаются к 50 Гц и фильтрации почти не происходит. Этот факт и подтверждается полученными результатами измерений в виде зафиксированных искажений напряжений до 400%, который говорит об обязательной необходимости применения фильтров. Следует учитывать, что установка фильтров снизит КПД из-за дополнительных потерь. Оценку потерь при пассивной фильтрации можно выполнить по добротности, которая не очень высока у электротехнических фильтров.
Приведенный эксперимент чтко указывает границу питающей частоты, ниже которой коэффициент искажений питающего напряжения резко возрастает. Граница регулирования 40 Гц - удачный компромисс между экономией на снижении непроизводственного напора насоса и устранением добавочных потерь от высших гармоник напряжения.
Предельно допустимый уровень искажений, установленный ГОСТ-32144 [23], составляет 12%. Выход за указанные пределы приводит к резкому росту потерь в магнитной и электрической части.
Для частот 40-50 герц нужно использовать фильтры, которые сократят искажения в 2-3 раза. Ниже 40 Гц фильтры будут громоздкими и устанавливать их экономически нецелесообразно.
Следует учитывать, что в данном случае указанная граница характерна именно для исследуемого двигателя и может меняться в зависимости от мощности используемого электродвигателя. Чтобы конкретизировать границу отдельно для каждого типа двигателя, необходимо провести эксперимент на серийных двигателях разной мощности (весь серийный ряд) и при плавном снижении частоты определять, где происходит резкое повышение искажений напряжения.
Затраченная мощность при векторном управлении S=45,600 ВА; Р=39,672 Вт.
Затраты мощности в модельном эксперименте наибольшие при пуске без управления, меньше при скалярном управлении, минимальные при векторном. Векторное управление дает большой скачок напора при пуске, но следует отметить, что данный алгоритм не предназначен для снижения пусковых токов, эту задачу решают установки плавного пуска.
Далее произведем моделирование работы электродвигателя насоса, подавая ему в виде нагрузки суточный расход, измеренный на насосной станции г. Петропавловска-Камчатского.
Интервал 86400 секунд представляет собой довольно длительный массив данных и займет значительное время для моделирования, поэтому, в целях ускорения процесса моделирования, была проведена выборка значений и массив сокращен в 6 раз. Результаты моделирования работы насоса в течение суток - 14400 отсчтов - представлены на следующих рисунках:
Гармонический анализ обмоток электродвигателей насосов
Изложенный алгоритм управления насосными агрегатами сочетает в себе эксплуатацию двигателей в номинальном режиме (работа при номинальных параметрах сети и неискаженной синусоиде тока и напряжения) и использование достоинств частотного преобразователя (плавный пуск, автоматизация, регулирование производительности и так далее), и позволяет сохранить высокий уровень эксплуатационных характеристик электродвигателей за счет установки нескольких электроприводов насосов для различных режимов работы насосной станции и запрета на эксплуатацию общепромышленных электродвигателей при неблагоприятных для них параметрах питающего напряжения, при этом регулирование возможно осуществлять в узком диапазоне частот (в пределах 20% от номинальной частоты питания). Это позволит избежать значительной доли добавочных потерь, возникающих при использовании ПЧ, и приведет к сокращению эксплуатационных и энергетических потерь.
Был разработан и опробован в промышленных условиях комплекс группового управления насосной станцией с ограниченным диапазоном частотного регулирования (рисунок 77). Полученные в течение двухгодичного отрезка времени эксплуатационные показатели этого комплекса свидетельствуют о значительном увеличении времени межремонтных промежутков и снижении затрат электроэнергии.
Было произведено внедрение на производстве результатов проведенной работы. Имеются акты внедрений базы данных насосных агрегатов для систем городского водоснабжения, журнала ремонтно-эксплуатационных работ, методических указаний для проведения лабораторных работ по дисциплине "Автоматизация в системах теплоснабжения и горячего водоснабжения".
На предприятии МУП «Петропавловский водоканал» внедрена база данных насосного оборудования. Поисковая система базы построена с использованием критериев на основе проведенных диссертационных исследований. Предполагалось е использование при проектировании новых НС и полная версия включает довольно широкий набор насосного оборудования. В процессе эксплуатации были определены дополнительные требования к программному обеспечению: возникла необходимость выборки из полной базы лишь тех насосных агрегатов, которые имеются в наличии и эксплуатируются на уже действующих НС, что существенно бы облегчило работу с базой данных. Все требования к программному обеспечению были выполнены, и оно успешно используется на предприятии.
Осуществлено внедрение электронного журнала ремонтно эксплуатационных работ на предприятии МУП «Петропавловский водоканал». Журнал предназначен для записи и хранения информации о технологическом оборудовании объектов водоснабжения, об авариях и ремонтах эксплуатируемого оборудования. Ранее данная информация имела разрозненный вид, неудобный для поиска необходимых данных. Разработанный журнал представляет собой базу данных, позволяющую производить удобный ввод, хранение и поиск информации, в результате появляется возможность проводить анализ аварийности оборудования и делать вывод о влиянии вводимых в эксплуатацию средств автоматизации на наджность оборудования. Накопление статистических данных позволит в дальнейшем оценить выигрыш в показателях надежности, достигаемый за счет более точных методов ЧРП, рассмотренных ранее.
На предприятии МУП «Петропавловский водоканал» внедрен алгоритм управления насосными агрегатами. Основная задача данного алгоритма – учесть требования к эксплуатации электродвигателей при работе в ЧРП. Алгоритм применим на НС с оборудованием малой и средней мощности.
В учебный процесс филиала ДВФУ в г. Петропавловске-Камчатском внедрены методические указания по дисциплине «Автоматизация и управление процессами теплогазоснабжения и вентиляции» включающие методики и результаты проводимых в ходе работы экспериментов. Методические указания содержат подробный методический материал для проведения практических занятий по темам: автоматизация измерений параметров трубопроводов систем отопления; автоматизация измерений характеристик насосных агрегатов систем горячего водоснабжения и отопления; автоматизация управления тепловыми системами методом частотного регулирования. Темы представлены двумя частями: теоретической и экспериментальной. В теоретической части указаны цели и задачи практического занятия, даны теоретические сведения, позволяющие студенту понять суть работы. Экспериментальная часть содержит алгоритм выполнения работ студентами, включающий описание работы с контрольно-измерительной аппаратурой.
Разработанные математические модели реализованы в среде MATLAB, обеспечивающей переход к микропроцессорным реализациям алгоритмов управления. Их использование позволяет проводить исследования работы электродвигателя при различных способах регулирования и разнообразных функциях нагружения асинхронного электропривода насосных агрегатов.