Модернизация электроприводов квартальной насосной станции «восток 5»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

КАРАГАНДИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ





УДК							На правах рукописи











	Сеитова АлияЕрболовна





Модернизация электроприводов квартальной насосной станции «восток 5»





	МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ 

	НА СОИСКАНИЕ АКАДЕМИЧЕСКОЙ СТЕПЕНИ 

	МАГИСТРА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ



6М070200 – «Автоматизация и управление»













Научный руководитель: 

к.т.н., доцентКан О.А.

	





						











Республика Казахстан

	Караганда

	2017



Т?сініктеме

Объектом настоящих исследований является квартальная насосная станция ТОО «Теплотранзит Караганда» ЦТП «Восток 5».Насосная станция оснащена оборудованием, обеспечивая производительность в ручном режиме с помощью пульта управления.

Решение задач автоматического управления тепловой насосной станции ЦТП «Восток 5» и обеспечение энергоэффективного и качественного теплоснабжения микрорайона Восток 5 осуществляется в этой диссертации. Основными объектами автоматизациинасосной станции являются электроприводы и насосные агрегаты.

В диссертации поставлены и решены следующие задачи:

	провести анализ способов регулирования насосной установки;

	установить требования к автоматизированному электроприводу и системе автоматизации и обосновать выбор системы электропривода; 

разработка системы автоматизированного электропривода тепловой насосной станции ТОО «ТеплотранзитКарагагнда» ЦТП «Восток 5» на основе применения частотного регулирования;

разработка принципиальной схемы трубопроводов и принципиальной схемы питающей сети насосной станции Восток-5;

разработка алгоритма программы управления насосной станцией Восток-5.





















































Annotation



The object of research in the thesis is quarterly pumping station the central heating unit «Восток 5» of LLP «ТеплотранзитКараганда». The pumping station is equipped with facilities to ensure the productivity in manual mode using the remote control.

In this thesis the solving problem of the automatic control of thermal pumping station«Восток 5» and providing an energy-efficient and high-quality Восток 5 district’s heating are carried out. The main objects of pumping station’s automation are electric drives and pumping units.

The thesis put and solved the following tasks:

1) the study of the requirements for the automated electric drive and control system of the pumping unit and the rationale for the choice of the electric system;

2) the development of the system of automated electricdrive of thethermal pumping station the central heating unit «Восток 5» of LLP «ТеплотранзитКараганда» on the basis of frequency regulation;

3) the study of the electric frequency’s model in MATLAB.























































Содержание



Обозначения и сокращения

6

Введение

7

1 Анализ    методов управления электроприводом насосных станций

9

	Описание технологического процесса и принцип работы оператора

9

	Общие сведения и патентно-информационный обзор по насосным установкам

11

	Способы регулирования насосной установки

15

	Основные сведения о частотно-регулируемом электроприводе

18

	Требования к автоматизированному электроприводу, системе управления насосной установки



Постановка задач  диссертационной работы

23

	Выбор систем электропривода насосной станции 

24

Структура частотного преобразователя

24

Принцип работы преобразователя частоты

28

Оценка влияния преобразователя частоты на питающую сеть.

Вопросы качества электроэнергии



33

	Разработка системы автоматизированного электропривода насосной станции «Восток 5»



46

Режимы работы насосной станции

46

Выбор оборудования

54

	Характеристика насосного оборудования, как объекта

	Регулирования

58

	Электроснабжение



	Система управления ControlMPC-EC



Описание работы системы ControlMPC-EC

61

Настройка системы ControlMPC-EC с использованием функций



Передача данныхчерез внешнее соединение



4 Исследование частотно-управляемого электропривода насосной станции в среде MATLAB





4.1 Исследование модели асинхронного двигателя и его математическое описание



4.1.1 Преобразованиетрёхфазной в двухфазную систему



4.1.2 Преобразователь двухфазной системы в трёхфазную



4.1.3 Вращающаяся система координат



4.2 Виртуальная модель асинхронного двигателя в среде MATLAB



		4.3Математическое описание системы частотно-регулируемый асинхронный электропривод – центробежный насос 



4.4 Математическая модель центробежного насоса



4.5 Моделирование системы ПЧ-АД – центробежный насос в MATLAB



Заключение

92

Список использованной литературы

93

Приложение А



Приложение Б





Определения



		Насос – гидравлическая машина, создающая напорное перемещение жидкости при сообщении ей энергии.

		Насосный агрегат –совокупность насоса, электропривода и передаточного механизма (муфта, редуктор, шкив).

			Насосная установка –комплекс оборудования обеспечивающий требуемый режим работы насосов одного или нескольких насосных агрегатов. НУ состоит из одного или нескольких насосных агрегатов, трубопроводов, запорной и регулирующей арматуры, контрольно-измерительной аппаратуры, а также аппаратуры управления и защиты.

		Насосная станция–сооружение, включающее в себя одну или несколько насосных установок, а также вспомогательные системы и оборудование.

		Тепловой пункт – комплекс устройств, расположенный в обособленном помещении, состоящий из элементов тепловых энергоустановок, обеспечивающих присоединение этих установок к тепловой сети, их работоспособность, управление режимами теплопотребления, преобразование, регулирование параметровтеплоносителяи распределение теплоносителя по видам потребителей.

		Автоматизированная система управления – комплекс аппаратных и программных средств, а также персонала, предназначенный для управления различными процессами в рамках технологического процесса, производства, предприятия. 

		Система управления – систематизированный (строго определённый) набор средств сбора сведений о подконтрольном объекте и средств воздействия на его поведение, предназначенный для достижения определённых целей.

		LAN – компьютерная сеть, покрывающая обычно относительно небольшую территорию или небольшую группу зданий (дом, офис, фирму, институт).

		Ethernet – семейство технологийпакетнойпередачи данных длякомпьютерных сетей.

		Тиристорный преобразователь частоты – сериятиристорныхпреобразователей частоты на базе автономного инвертора тока АИТ.

		Электродвигатель (электропривод, электрический привод) – это управляемая электромеханическая система, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую и обратно и управления этим процессом.

		Частотно-регулируемый электропривод – система управления частотой вращения ротора асинхронного (или синхронного)электродвигателя. Состоит из собственно электродвигателя ичастотного преобразователя.

		Преобразователь частоты – это устройство состоящее извыпрямителя(моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный, иинвертора (преобразователя)(иногда сШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный требуемых частоты и амплитуды.

		GTO тиристор – полностью управляемый тиристор так же имеет название запираемый или выключаемый тиристор.

		IGBT-транзисторы –трёхэлектродные силовые электронные приборы, которые используются в качестве мощного электронного ключа в инверторах, импульсных источниках питания и системах управления электроприводами.

		Широтно-импульсное модуляция – процесс управления мощностью, подводимой к нагрузке, путём изменения скважности импульсов, при постоянной частоте.

		Асинхронный двигатель c короткозамкнутым ротором – это асинхронный электродвигатель, у которого ротор выполнен с короткозамкнутой обмоткой в виде беличьей клетки.

		Асинхронный двигатель с фазным ротором– это двигатель, который можно регулировать с помощью добавления в цепь ротора добавочных сопротивлений.

		Векторное управление –является методом управлениясинхроннымииасинхроннымидвигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз (скалярное управление), но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора.

		Амплитудное регулирование –способ, при котором выходное напряжение регулируется путем изменения входного напряжения инвертора.

		ПИ-регулятор – комбинируется поведение И-регулятора и П-регулятора, благодаря чему используются преимущества обоих типов регуляторов: быстрый отклик регулятора интегрального действия и компенсация остаточного отклонения системы регулятора пропорционального действия. Поэтому ПИ-регулятор можно применять в большом количестве управляемых систем.

		GENIbus – промышленная сеть, разработаннаяGrundfosдля управления собственными насосами, моторами и другим подобным оборудованием. Сеть предназначается для управления оборудованием, мониторинга, конфигурации и тестирования.

		





























Обозначения и сокращения



КарГТУ

— Карагандинский государственный технический университет

АиУ

— автоматизация и управление

АПП

— кафедра автоматизации производственных процессов

АСУ ТП

— автоматизированные системы управления технологическим процессом

СУ

— система управления

АСУ

— автоматизированная система управления

САУ

— система автоматического  управления

НА

— насосный агрегат

НУ

— насосная установка

НС

— насосная станция

ТП

— тепловой пункт

LAN

—Local Area Network

ИМС

— индукторные муфты скольжения

ЭП

—электрический привод

АЭП

— автоматизированный электропривод

ПК

— программируемый контроллер

ЧР

—частотное регулирование

ПЧ

—преобразователь частоты

ТПЧ

—тиристорный преобразователь частоты

IGBT

—Insulated Gate Bipolar Transistors

GENIbus

— GrundfosElectronicsNetworkIntercommunicationsbus

УВ

—управляемый выпрямитель

ШИП

—широтно-импульсный преобразователь

ДПТ

—двигатель постоянного тока

АД

—асинхронный двигатель

КЗР

—короткозамкнутый ротор

ФР

—фазный ротор

АИН

—автономный инвертор напряжения

ШИМ

—широтно-импульсноемодуляция

АР

—амплитудное регулирование

КПД

—коэффициент полезного действия

IP

—Internet Protocol

АВК

— асинхронно-вентильный каскад

ДПТ

— двигатель постоянного тока

РЩ

— распределительный щит

АВР

— автоматический ввод резерва









Введение



В настоящее время энергосберегающие технологии играют важную роль во всех отраслях промышленности.

Изучение вопроса об энергоэффективной работе системы теплоснабжения и рационального использования ресурсов тепла является сегодня актуальным. Насосные станции – основные энергетические звенья систем теплоснабжения, которые обеспечивают изменение давления и подачу воды определенного напора в магистральные трубопроводы. Главной частью насосного агрегата является электродвигатель. Электродвигатели расходуют достаточно высокий процент электроэнергии – ориентировочно 20%. Снизить стоимость электрической энергии возможно только с внедрением энергосберегающих технологий.

Объектом настоящих исследований является квартальная насосная станция ТОО «Теплотранзит Караганда» ЦТП «Восток 5».

На сегодняшний день все операции по управлению насосной станции осуществляется в режиме ручного управления с помощью пульта управления. Решение этой задачи в дальнейшем описывается в последующих главах диссертационной работы.

Основным объектом автоматизации является электропривод насосной установки.

Цель работы: разработать систему автоматизированногоэлектроприводатепловой насосной станции ТОО «Теплотранзит Караганда» ЦТП «Восток 5».

Идея работызаключаетсяв применении системы управления СontrolMPC-EC, которая будет обеспечивать оптимальное соответствие рабочих характеристик потреблению посредством регулирования в замкнутом контуре.

Научная проблема - создание системы автоматизированного электропривода тепловой насосной станции ТОО «Теплотранзит Караганда» ЦТП «Восток 5» на основе применения частотного регулирования и технологического оборудования Grundfos.

Научными результатами являетсярешение практических задач по внедрению передовых технологий в систему теплоснабжения:

анализ способов регулирования насосной установки;

установка требованиий к автоматизированному электроприводу и системе автоматизации и обосновать выбор системы электропривода; 

разработкапринципиальной схемы трубопроводов насосной станции Восток-5;

разработкапринципиальной схемы питающей сетинасосной станции Восток-5;

разработкаалгоритма управления насосной станцией Восток-5.



Научными ценностями (новизной) работы являетсяприменение частотного регулирования, обеспечивающего значительное энергосбережение при работе электродвигателя с переменной скоростю.

Объем и структура диссертации.

Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 70 страниц основного текста и 3страниц приложений, 52рисунков, 2 таблиц, список литературы из31 наименований. 

Список публикаций

Выбор датчика давления для модернизации автоматизированной системы управления квартальной насосной станции «Восток 5», к.т.н., доц. Кан О.А., Сеитова А.Е.,Республиканская студенческая научная конференция «Вклад молодежной науки в реализацию Стратегии «Казахстан-2050», Караганда, Издательство, 2016.

Модернизация электроприводов тепловых насосных станций, к.т.н., доц. Кан О.А., Сеитова А.Е., Автоматика и информатика, №2 (33), Караганда, Издательство КарГТУ, 2016 – с.13-16.



































































1 Анализ методов управления электроприводом насосных станций





Описание технологического процесса 



Тепловые насосные станции применяются для транспортировки горячей воды определенных параметров в системы отопления и горячего водоснабжения.

Около 20 % расхода электрической энергии в год приходится на насосные установки. В настоящее время требуется модернизация насосных установок для их энергоэффективной работы в связи с большими потерями электроэнергии.

Сократить потери электроэнергии в насосных установках позволит применение способа регулирования на основе изменения частоты вращения рабочих колес насоса. В современных насосных установках изменение частоты вращения насосов осуществляется с помощью автоматизированного электропривода (АЭП) [].

Транспорт теплоснабжения производится по четырехтрубным водяным тепловым сетям, к которым по зависимой схеме присоединяются все потребители: два трубопровода – подающий и обратный – для подачи тепла в системы отопления зданий и два - подающий и циркуляционный – для подачи воды в системы горячего водоснабжения (рисунок 1.1).



	

	

	Рисунок 1.1 - Схема теплового пункта с непосредственным водозабором на горячее водоснабжение

1 - грязевик; 2 - датчик расхода; 3 - теплосчетчик с измерением расхода в подающем и обратном трубопроводах; 4 - трехходовой смесительный клапан регулятора температуры воды; 5 - регулятор температуры воды;

6 - циркуляционные насосы; 7 - обратные затворы; 8 - водомеры.

	

	Насосные станции комплектуются одним или несколькими насосными агрегатами (до 12 агрегатов). Если в состав насосной установки входят несколько агрегатов, напорные и всасывающие линии насосов связываются между собой соответственно напорными и всасывающими коллекторами. К напорным коллекторам присоединяются напорные водоводы, а к всасывающим коллекторам – всасывающие водоводы. Насосную станцию с потребителями соединяют напорные водоводы [1].

Система автоматического управления может работать в ручном, в автоматическом и дистанционном режимах. При работе системы в ручном режиме персонал занимается обслуживанием насосной станции, регулируя производительность за счет управления задвижками в зависимости от напора жидкости в сети. Напор жидкости в сети контролируется по датчикам. 

	При работе системы в автоматическом режиме не требуется постоянный контроль и участие персонала. В данном режиме функция персонала заключается в визуальном контроле исправности системы управления.

Описание насосной установки теплоснабжения насосной станции Восток 5: в состав насосной станции входят 2 центробежных насоса К-160/30 и 2 центробежных консольных насоса К-290/30. Большая буква обозначает тип насоса, первая группа цифр – подачу, м3/ч, вторая группа – напор, м. Техническая характеристика оборудования насосной станции описана в таблице 1.



Таблица 1 – Техническая характеристика установленного оборудования насосной станции

Марка насосов

К-160/30

К-160/30

К-290/30

К-290/30

№ агрегата по схеме

1

2

3

4

Производительность насоса, м3/час

160

160

290

290

Напор, мм вод. ст.

30

Тип электродвигателя

4АМ200М4

4АМ200

4АМ200

АО2180М2У3

Мощность электродвигателя, кВт

37

37

45

45

Установленная мощность электродвигателя, кВт

164

Количество оборотов в минуту

1470

Режим работы насосной станции

подкачка-подмес



Система теплоснабжения неавтоматизированная, нет постоянного контроля давления в сети, включение подкачивающего насоса производится вручную.

Схема ЦТП «Восток 5» представлена на рисунке 1.2.





Рисунок 1.2 – Схема ЦТП «Восток 5»



1.2 Общие сведения и информационный обзор по насосным установкам

	

	На сегодняшний день регулирование режимов работы насосных установок посредством автоматизированного регулируемого электропривода является востребованным как в зарубежных, так и в отечественных системах. В данных системах регулируемым параметром является напор жидкости (давление). Оснащая насосную станцию современной техникой, появляется возможность поддерживать заданное значение давления с большой точностью. Вместе с тем высокая точность является причиной непрерывного изменения частоты вращения электродвигателя насосного агрегата, что ведет к преждевременному износу отдельных элементов насосного агрегата. Выход из данной ситуации – установка повышенной зоны нечувствительности системы регулирования. Однако это понижает точность стабилизации напора.

	Стабилизировать напор во всех точках сложной развлетвленной сети практически невозможно. Поэттому речь может идти о стабилизации напоров в некоторых отдельных «точках сети», называемых диктующими. В качестве диктующих выбирают точки, обеспечение нормального напора в которых гарантирует поддержание таких же или более высоких напоров в остальных точках сети, расположенных на наиболее высоких отметках[1].

	Сигналы от преобразователя давления, установленной в диктующей точке сети, и от задающего устпройства в ПИ-регулятор, где они сравниваются и после соответствующей обраюотки передаются в систему управления регулируемого электропривода насосного агрегата. Если напор в диктующей точке оказывается выше заданного, в привод поступает команда на уменьшение частоты вращения электродвигателя насоса, и наоборот. При соответствии напора в диктующей точке заданному значению изменение частоты вращения насоса прекращаяется[1].

Энергетический кризис явно дает понять ценность энергетических ресурсов и дает стимул к разумному пользованию ими, тем самым расширяя возможности в области исследования и разработки насосных установок с автоматизированным регулируемым электроприводом.



1.3 Способы регулирования насосной установки



Основные способы регулирования режимов работы водопроводов:

ступенчатое (последовательное) регулировние; 

дросселирование трубопровода;

перепуск части подачи насоса на его вход;

изменение частоты вращения рабочего колеса насоса [http://masters.donntu.org/2008/eltf/sukiasyan/library/letter1.htm].

Ступенчатое регулирование подачи насосной станции осуществляется за счет подключения или отключения насоса. Данный способ является простым в управлении, т.к. не требует дополнительных регулирующих устройств. Однако этот метод не позволяет обеспечить непрерывное и качественное поддержание параметра при изменении потребления и вызывает частые пуски и остановы двигателей, что уменьшает срок службы работы оборудований и требуетстроительства промежуточного аккумулирующего резервуара для сглаживания колебаний подачи насосной станции. Эти особенности обусловливают сокращение насосной станции, где применяются вышерассмотренные способы [2].

Дроссельное регулирование заключается во введении добавочного сопротивления в напорный трубопровод системы (рисунок 1.3), благодаря чему характеристика Q - Н сети поднимается более круто Q - Н'тр и пересекает характеристику насоса в режимной точке 2, соответствующей требуемой подаче Q3. При этом требуемый напор в системе равен H3, а насос развивает напор H2. Следовательно, энергия N = Q3р, где р = Н2 - Н3, теряется вследствие увеличения местного сопротивления в задвижке. Полезная мощность насоса для обеспечения работы в точке 3[3].







Рисунок 1.3 – Характеристика системы «насос-сеть» при регулировании работы дросселированием





 Затрачиваемая мощность насосной установки в этом случае

	.

Тогда КПД насосной установки

,

откуда видно, что КПД насосной установки уменьшается с увеличением разности между напором, развиваемым насосом, и напором, требуемым в сети. Из-за существенных недостатков способ дроссельного регулирования можно применять только на имеющих плавную характеристику небольших насосных агрегатах, где регулирование требуется в течение короткого времени[3].

Для устранения неустойчивой работы насосов применяют регулирование подачи насоса перепуском жидкости из напорной линии во всасывающую. А энергия, затрачиваемая на циркуляцию жидкости по холостому кругу, не создает полезной работы, что приводит к снижению КПД. Подача НС регулируется только в сторону уменьшения. Перепуск жидкости во всасывающий трубопровод улучшает кавитационные качества насоса, но наличие циркуляции снижает КПД системы, требует устройства циркуляционного трубопровода и установки дополнительной арматуры, что усложняет коммуникации трубопроводов в помещении насосной станции. Вот почему данный способ не получил распространения в практике городского водоснабжения[3].

Наиболее экономичным является регулирование режима работы насоса изменением частоты вращения рабочего колеса. Изменение частоты вращения ведет к изменению характеристики Q – H насоса таким образом, что точка пересечения кривой Qi-Hi насоса с характеристикой трубопровода соответствует требуемой подаче Qxпри напоре Нx, т. е. сохраняется материальный и энергетический баланс системы[3].

	

	

1.4 Основные сведения о частотно-регулируемом электроприводе. 



Электрическим приводом называется электромеханическая система, предназначенная для приведения в движение рабочих органов машин, целенаправленного управления этими процессами и состоящая из передаточного, электродвигательного, преобразовательного и управляющего устройств [4]. 

Основные «выходные» координаты привода — это электромагнитный момент М или сила F, необходимые для нормального функционирования органов рабочей машины, и координаты движения: угловая ю или линейная у скорости или соответствующие отрезки пути '?, ?s [4]. 

Электропривод состоит из следующих элементов:  

передаточное устройство – предназначено для преобразования форм движения и передачи механической энергии от двигательного устройства к рабочим органам машины;

двигательное устройство – преобразует электрическую энергию в механическую и формирует (совместно с передаточным устройством) заданные формы движения рабочих органов;

преобразовательное устройство – служит для связи системы электропривода с источником электрической энергии (например, промышленной сетью), для преобразования одной формы электрической энергии в другую (например, для выпрямления переменного тока). Основное назначение преобразовательного устройства состоит в формировании управляемого потока энергии, потребляемого рабочим процессом. Другая же большая или меньшая часть этого потока, превращаясь в иные формы, не участвует в формировании заданного рабочего процесса, т.е. расходуется бесполезно;

управляющее устройство – предназначено для формирования заданных законов управления потоком энергии и движения рабочих органов исполнительных механизмов;

электрическое преобразовательное устройство – преобразует электрическую энергию от сети в электрическую энергию другого вида или формы, потребляемую двигателем;

двигательное устройство – преобразует электрическую энергию в механическую вращающегося ротора [4].

Таким образом, автоматизированный электропривод следует рассматривать как одну из наиболее распространенных разновидностей электромеханических систем автоматического управления (САУ).

Электроприводхарактеризуется,какэнергетическаяиинтеллектуальнаяосновавсехвидовпроизводства,определяющаяэнергоэффективностьпроизводстваиуровеньавтоматизациитехнологическихпроцессов.





1.5 Требования к автоматизированному электроприводу, системе автоматизации и обоснование выбора системы электропривода



Самым главным требованием к электроприводу является устойчивость его работы, т.е. способность приходить в равновесное состояние не зависимо от причин вывода системы из устойчивого состояния. Система может быть выведена из устойчивого состояния как со стороны насосного агрегата (изменение нагрузки), так и со стороны привода (изменение напряжения частоты). Обеспечение качественное функционирование в условиях высоких температур, большой влажности воздуха также является приоритетным условием.

	Требования к электроприводу разрабатываемой системы управления:

диапазон мощности: 55 кВт;

напряжение питания: 3х380 В, 50 Гц;

выходная частота: 0 – 55 Гц;

климатическое исполнение ECLComfort 210;

класс защиты IP55.

Система автоматизаци насосной станции предназначена для управления технологическим оборудованием – сетевыми насосами и запорной арматурой с электроприводами, для обеспечения расхода теплоносителя и перепада давления между подающим и отводящим трубопроводами в зоне потребителей в автоматическом и ручном режимах управления, с возможностью передачи технологических параметров по сети Ethernet и Web-сервер.

Автоматизация должна обеспечивать:

плавный пуск насосного агрегата и разгон до заданной скорости;

поддерживание постоянного давления;

непрерывную регулировку частоты вращения насосов;

изменение производительности установки по необходимости (включение/выключене необходимого количества насосов);

смену насосов в зависимости от нагрузки, наработки и технических неисправностей;

работу включенных насосов с равной частотой вращения

переключение основного источника электропитания на резервный;

защита от тепловых перегрузок приводных двигателей;

контрольрасхода воды.

Широкое применение АД КЗР в первую очередь обуславливается простотой в обслуживании, эксплуатации, простотой конструкции, низкой стоимостью и высокой надежностью. Что касается недостатков, то такие модели имеют малый пусковой и большой спусковой ток, чувствительны к изменениям прараметров в сети, для плавного регулирования скорости понадобится преобразователь частоты.

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором отвечает перечисленным требованиям и его применение является целесообразным в данной работе.



1.8 Цели и задачи исследования



В диссертационной работенеобходимо решить и исследовать следующие задачи: 

	провести анализ способов регулирования насосной установки;

	установить требования к автоматизированному электроприводу и системе автоматизации и обосновать выбор системы электропривода; 

	разработать систему автоматизированного электропривода тепловой насосной станции ТОО «ТеплотранзитКарагагнда» ЦТП «Восток 5» на основе применения частотного регулирования;

	разработатьпринципиальную схему трубопроводов насосной станции Восток-5;

	разработать принципиальную схему питающей сетинасосной станции Восток-5;

	разработатьалгоритм управления насосной станцией Восток-5.

	













2. Выбор систем электропривода насосных станций 





2.1 Структура и принцип работы частотного преобразователя



Промышленный преобразователь частоты строится на основе силовых полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов и тиристоров. Диод – неуправляемый полупроводниковый прибор, который пропускает ток только в одном направлении, от анода к катоду. Тиристоры являются однооперационными полупроводниковыми силовыми приборами, которые не отключаются по сигналу управления. Поэтому в настоящее время в преобразователях частоты не используются. Наиболее широкое применение получили IGBT-транзисторы. 

Структура преобразователей частоты низкого напряжения (до 660 В) указана на рисунке 2.1.







Рисунок 2.1 – Схема питания асинхронного двигателя от преобразователя частоты



Силовая часть состоит из двух основных звеньев: неуправляемый выпрямитель Ud и инвертор напряжения Uf. В первом звене выпрямителя производится преобразование энергии переменного тока стандартной частоты в энергию постоянного тока. Во втором звене производится преобразование энергии постоянного в энергию переменного тока с новыми регулирующими значениями частоты и амплитуды напряжения. Важным узлом такого двузвенного преобразователя частоты является фильтр F установленный в цепи постоянного тока. В качестве фильтра используют конденсатор достаточно большой емкости, включаемый параллельно инвертору.

За один период выходного напряжения происхдитшесть коммутаций транзастироных ключей. Фазное напряжение, прикладываемое  к обмоткам двигателя, приведено на рисунке 2.2.







Рисунок 2.2 – Форма кривой выходного фазного напряжения



Частота выходного напряжения преобразователя определяется частотой переключения транзисторных ключей инвертора, который задается системой управления преобразователя частоты. Кроме регулирования частоты выходного напряжения необходимо одновременно регулировать величину – амплитуду выходного напряжения. В современных преобразователях частоты регулирование величины напряжения призводится методом широтно-импульсной модуляции., задачей которой является регулирование средней величины выходного напряжения и корреция его формы, приближающесяк синусоидальной. 

ШИМ реализуется следующим образом: в периоды включенного состояния транзисторного ключа в соответствии с выходной частотой каждый ключ включается и запирается с высоко	й несущей частотой около 2-10 кГц. Несущая частота не меняется, но изменяется продолжительность включенного состояния транзистора, то есть изменяется ширина импульсов открытого состояния транзистора. Скважность импульсов гамма это отношение времени включенного состояния к периоду несущей частоты. Изменяя скважность импульсов, можно регулировать среднюю величину выходного напряжения преобразователя частоты и обеспечивать в среднем синусоидальный характер изменения напряжения в пределах заданного периода частоты выходного напряжения.

Асинхронный двигатель имеет неподвижную часть – статор, с закрепленным магнитным сердечником, и вращающуюся – ротор, с закрепленным магнитным сердечником, образующий магнитопровод машины. Привключении обмоток статора двигателя в сеть трехфазного переменного тока в магнитопроводе двигателя образуется силовое вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого ?0  прямо пропорционально частоте питающего напряжения рп.





Для того, чтобы двигатель развивал момент, скорость вращения его ротора ? должнабыть меньше скорости вращения магнитного поля статора. Разность скоростей для поля статора и ротора называется абсолютным скольжением двигателя Sабс. 



Если выразить абсолютное скольжение в относительных единицах, разделив его на ?0, то получиим относительное скольжение S.



Величина скольжения определяет величину момента, развиваемого двигателем. Приближенно для рабочего участка механической характеристики можно считать, что момент пропорционален скольжению.



Единственным способом плавного изменения скорости вращения магнитного поля статора ?0 является изменение частоты питающего напряжения. Если скорость вращения поля статора будет постоянной, то скорость вращения вала двигателя также будет примерно постоянной. Так на рабочей части механической характеристики двигателя жесткость характеристики велика и скольжение двигателя, то есть уменьшение скорости при увеличении момента будет составлять всего несколько процентов. Если регулировать частоту питающего напряжения, снижать ее, то скорость вращения магнитного поля статора уменьшение пропорционально частоте и механические характеристики двигателя будут перемещаться вниз параллельно друг другу. Если при этом поддерживать величину потока статора двигателя постоянной, то и перегрузочная способность двигателя, максимальный момент, будет оставаться постоянным.

Такое регулирование очень удобно. Уменьшая частоту плавно снижается скорость двигателя, увеличивая частоту – плавно увеличивается скорость. Благодаря тому, что жесткость характеристик остается постоянно высокой, скорость двигателя мало зависит от момента на его валу, что повышает точность регулирования скорости.

Важным обстоятельством является возможность плавного пуска двигателя при частотном пуске, частота и величина питающего напряжения плавно увеличивается от нуля до номинального значения и двигатель всегда работает, в том числе и при пуске, на рабочем участке механической характеристики.





2.2 Особенности механической и токовой характеристики асинхронного двигателя



Электромеханические свойства определяется его механической характеристикой – зависимости скорости двигателя или скольжения от развиваемого двигателем момента. 

Маханическая характеристика имеет две части: первая – рабочая часть, от SК до нуля, и пусковая часть характеристики при скольжении от единицы до SК, то есть до критического скольжения (рисунок 2.2). Рабочая часть характеристики близка к линейной, имеет высокую жесткость, то есть скорость незначительно снижается при увеличении нагрузки момента на валу двигателя. На этой части характеристики двигатель может длительно и устойчиво работать. 

Вторая часть характеристики – криволинейная.

, используется только при пуске двигателя. Длительная работа на этой части не допустима.



























Рисунок 2.2 – Механическая характеристика АД



На рисунке 2.3 изображена токовая характеристика – зависимость тока двигателя от скорости или скольжения.При пуске скорость двигателя равна нулю, а скольжение равно единице пусковой момен.......................