Система управления приводом насоса

ПЗ.docx

Характеристика насосной станции и требования предъявляемые к электроприводу насосов6
1 Выбор принятых показателей качества10
Обоснование выбора системы регулирования привода по схеме ПЧ-АД11
Выбор двигателя и расчёт его параметров17
Проектирование системы управления ПЧ-АД22
1.Расчёт ПИД регулятора22
2 Расчет динамических режимов в системе регулирования скорости при векторном управлении асинхронным двигателем28
4 Выбор средств защиты37
5Выбор датчика давления42
6 Схема управления насосом44
Моделирование системы управления ПЧ-АД с помощью Matlab47
Быстрый рост цен на энергоносители и ресурсы привел к тому что доля затрат на них в суммарных расходах на производство стала несоразмерно большой. В результате перед многими предприятиями остро встала задача уменьшения энерго- и ресурсоемкости выпускаемой продукции т.е. задача энергосбережения. Анализ расхода энергоресурсов на многих предприятиях показывает что решение этой задачи имеет два направления - организационно-технические мероприятия направленные на исключение бесполезного расходования энергоресурсов и внедрение энергоэффективных технологий и энергосберегающего оборудования позволяющих выполнить тот же объем работ при меньших затратах энергии.
Электропривод являясь энергосиловой основой современного производства потребляет около 60% всей вырабатываемой электроэнергии. В свою очередь среди промышленных электроприводов преобладают электроприводы с асинхронными короткозамкнутыми двигателями потребляющие до 50% этой энергии. Эти электроприводы благодаря своей простоте отлаженности и автоматизированности производства и благодаря этому относительно невысокой стоимости нашли широкое применение в различных промышленных механизмах. Общеизвестны и их недостатки - тяжелый пуск при прямом подключении к сети сопровождающийся 6-7 кратными токами и как следствие невысокая эксплуатационная надежность трудность регулирования скорости.
Характерным примером использования асинхронных двигателей являются насосные станции холодного и горячего водоснабжения канализационных насосных станций и систем отопления компрессорные установки и вентиляторы. Этот тип механизмов потребляет не менее 20-25% всей вырабатываемой электроэнергии.
В подавляющем большинстве случаев электроприводы указанных механизмов являются нерегулируемыми что не позволяет обеспечить режим рационального энергопотребления и расхода воды пара воздуха и т.д. при изменении технологических потребностей в широких пределах. Выбранные исходя из максимальной производительности эти механизмы значительную часть времени работают с меньшей производительностью что определяется изменением потребности в разные периоды времени. По некоторым данным среднесуточная загрузка насосов холодного водоснабжения составляет всего 50-55% максимальной.
Существующие системы водоснабжения (с нерегулируемым электроприводом) не обеспечивают заметного снижения потребляемой мощности при уменьшении расхода а также обусловливают существенный рост давления (напора) в системе что приводит к утечкам воды и неблагоприятно сказывается на работе технологического оборудования и сетей водоснабжения. Специалисты считают что при существующих средствах водораспределения избыточный (ненужный в данный момент) напор 10 м (или давление 01 МПа) увеличивает утечки воды на 7-9 %.
Характеристика насосной станции и требования предъявляемые к электроприводу насосов
Насосные установки широко применяются на электромашиностроительных предприятиях для перекачивания жидких сред а также технологической и охлаждающей воды. Сюда относятся насосы для перекачки охлаждающей эмульсии в металлообработке насосы в системе водоснабжения и канализации специальные насосы для химических сред в гальванических цехах насосы для пропиточных составов лакокрасочных материалов и т.п.
Наиболее широкое распространение получили установки с центробежными насосами. В спиральном корпусе насоса помещается рабочее колесо с лопатками. При вращении колеса двигателем жидкость поступающая к центру колеса из заборного резервуара через всасывающий трубопровод и открытую задвижку центробежной силой выбрасывается по лопаткам на периферию корпуса. В результате в центре рабочего колеса создается разряжение жидкость засасывается в насос снова выбрасывается и далее подается в напорный трубопровод. Таким образом в системе при открытой задвижке создается непрерывное течение и центробежный насос имеет равномерный ход.
Перед пуском центробежный насос нужно заполнить жидкостью. Насос может находиться как ниже так и выше уровня жидкости. Если он расположен ниже уровня то для его заливки достаточно открыть вентиль задвижки. Если же насос находится выше уровня перекачиваемой жидкости то для заливки требуется создать разряжение внутри корпуса при помощи специального вакуум-насоса в качестве которых обычно применяют поршневые насосы. После заливки насоса может быть включен приводной двигатель. Применяют три способа пуска:
I.Пуск при закрытой напорной задвижке при котором плавно повышается давление в напорном трубопроводе и исключается Пуск при закрытой напорной задвижке при котором плавно повышается давление в напорном трубопроводе и исключается гидравлический удар в системе. От двигателя не требуется повышенный пусковой момент так как пуск происходит практически вхолостую но дополнительно тратится время на последующее открытие задвижки.
II.Пуск при открытой напорной задвижке удобен если насос расположен ниже уровня жидкости в заборном резервуаре и имеется обратный клапан. В этом случае не тратится время на открытие задвижки и общее время агрегата меньше хотя пуск самого двигателя более длителен из-за увеличение Мс.п.
III.Пуск с одновременным включением привода открывания напорной задвижки насоса можно рассматривать как частные случаи первого и второго способов в зависимости от соотношения времени открывания задвижки и пуска насоса.
Рисунок - 1 Принципиальная схема центробежного насоса:
- рабочая камера; 2 - рабочее колесо; 3 - направляющий аппарат; 4 - вал;
- лопатка рабочего колеса;
- лопатка направляющего аппарата; 7 - нагнетательный патрубок;
- подшипник; 9 - корпус насоса (опорная стойка);
- гидравлическое торцовое уплотнение вала (сальник);
- всасывающий патрубок.
На рабочем колесе имеются лопатки (лопасти) которые имеют сложную форму. Жидкость подходит к рабочему колесу вдоль оси его вращения затем направляется в межлопаточный канал и попадает в отвод. Отвод предназначен для сбора жидкости выходящей из рабочего колеса и преобразования кинетической энергии потока жидкости в потенциальную энергию в частности в энергию давления. Указанное выше преобразование энергии должно происходить с минимальными гидравлическими потерями что достигается специальной формой отвода.
Корпус насоса предназначен для соединения всех элементов насоса в энергетическую гидравлическую машину. Лопастный насос осуществляет преобразование энергий за счет динамического взаимодействия между потоком жидкой среды и лопастями вращающегося рабочего колеса которое является их рабочим органом. При вращении рабочего колеса жидкая среда находящаяся в межлопаточном канале лопатками отбрасывается к периферии выходит в отвод и далее в напорный трубопровод.
По способу действия насосы бывают не только центробежного типа но и поршневого.
Поршневые насосы применяются для перекачивания воды при больших высотах всасывания (до 5 – 6 м). Ввиду возвратно-поступательного движения поршня для таких насосов как и для поршневых компрессоров характерны неравномерность хода и пульсации нагрузки на валу (при всасывании жидкости имеет место холостой ход при сжатии – рабочий ход). Поэтому работа поршневых насосов сопровождается неравномерным течением жидкости в напорном трубопроводе. Для сглаживания пульсаций нагрузки и повышения равномерности хода применяют в одном насосе несколько рабочих цилиндров а на валу устанавливают маховик.
Об эффективности регулирования режимов работы центробежных насосов изменением частоты вращения рабочих колес известно давно. Однако такой способ регулирования ранее не получил распространения из-за отсутствия достаточно надежных и дешевых видов регулируемого электропривода и сравнительно низких цен на электроэнергию. При этом следует отметить что в системах водоснабжения и водоотведения критерий надежности всегда ставился выше экономических выгод.
Положение существенно изменилось в последнее время когда как было сказано в начале возросла цена энергоресурсов и получила развитие полупроводниковая техника. Появление на рынке благодаря выдающимся успехам электронной техники доступных и весьма совершенных технических средств для управления АД - преобразователей частоты "мягких" пускателей станций автоматического управления и др. дало возможность перехода от нерегулируемого массового асинхронного электропривода к регулируемому.
Первоначально из-за отсутствия надежных и дешевых преобразователей частоты (ПЧ) для управления скоростью насоса в продолжительном режиме пытались использовать преобразователи напряжения (ПН) т.е осуществлять так называемое параметрическое регулирование.
Этот способ привлекателен тем что тиристорный преобразователь напряжения (ТПН) очень прост и дешев. Однако существует принципиальное ограничение на использование параметрического регулирования в продолжительном режиме - большие потери энергии в двигателе. Для того чтобы все-таки использовать этот способ энтузиасты идут на завышение установленной мощности электродвигателя в 2-25 раза использование специально ухудшенного ротора с повышенным скольжением.
Очевидно что при этом система с дешевым преобразователем ТПН оказывается слишком дорогой и нерациональной в практической реализации. Система ПЧ-АД в которой скорость двигателя регулируется изменением частоты питающего напряжения полностью лишена перечисленных недостатков. В этой системе экономится примерно вдвое больше энергии так как в системах с ТПН половина экономящейся в насосе энергии рассеивается в двигателе непредсказуемо уменьшая срок службы его подшипников и других деталей.
Из изложенного следует важный вывод: нормальный и по существу единственный способ регулирования скорости АД - изменение частоты с одновременным изменением напряжения при использовании ПЧ. При этом срок окупаемости инвестиций в оборудование составляет от 6 до 18 месяцев в зависимости от механизма режимов его работы и мощности приводного двигателя.
Изменять частоту оборотов имеет смысл только до определённой величины при которой напор турбомеханизма станет равным статическому напору. При дальнейшем понижении продуктивности напора развиваемого турбомеханизмом будет недостаточно чтобы преодолеть статический напор в сети.
1 Выбор принятых показателей качества
В процессе разработки систем автоматического управления и регулирования приходится учитывать весьма разнообразный комплекс требований связанный с различными их характеристиками. Эти требования можно объединить в некоторые основные группы.
К первой группе критериев следует отнести требования связанные со статическими и динамическими свойствами. Среди них важнейшее место занимают точностные характеристики. Они определяют ошибки которые могут иметь место в системе управления в различных режимах.
Ко второй группе относятся требования связанные с надежностью работы систем управления ее устойчивостью к влиянию внешних воздействий. Сюда относятся в первую очередь такие требования как вероятность безотказной работы интервал рабочих температур вибростойкость ресурс условия хранения.
К третьей группе относятся требования связанные с характером эксплуатации систем управления. Сюда относятся условия обслуживания системы в процессе ее работ квалификация обслуживающего персонала возможность ремонта.
К четвертой группе относятся требования связанные с допустимой массой и габаритами системы и допустимым потреблением энергии.
К пятой группе относятся требования связанные с технологичностью изготовления системы управления.
Для нашего случая выделяем следующие показатели качества предъявленные к системе управления электроприводом насосного агрегата:
максимальная точность системы.
минимальная стоимость.
минимальные габариты.
Обоснование выбора системы регулирования привода по схеме ПЧ-АД
Наиболее перспективных и широко используемых в настоящее время способов регулирования скорости АД является частотный способ. Этот способ обеспечит плавное регулирование в широком диапазоне получаемые характеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ к тому же отличается и еще одним весьма важным свойством: при регулировании скорости АД не происходит увеличения его скольжения как это имеет место например при реостатном регулировании.
Рассмотрим характеристики основных типов ПЧ.
НПЧ предназначен для преобразования высокой частоты в низкую и состоит из 18 тиристоров объединенных во встречно-параллельные группы (рис.2). В основе преобразователя лежит трехфазная нулевая схема выпрямления; каждая фаза преобразователя состоит из двух таких встречно включенных выпрямителей.
НПЧ различают с раздельным и совместным управлением.
При раздельном управлении управляющие импульсы должны подаваться на тиристоры одной из вентильных групп в соответствии с направлением тока в нагрузке. Для обеспечения раздельной работы применяется специальное логическое устройство исключающее возможность прохождения тока в одной группе в то время когда ток проходит в другой группе.
В преобразователях с совместной работой вентильных групп необходимо включение дополнительных реакторов ограничивающих уравнительный ток между вентилями каждой группы а углы управления положительной и отрицательной групп изменяются по определенному закону исключающему появление постоянной составляющей уравнительного тока. Преобразователи с совместным управлением работой вентильных групп обладают большой установленной мощностью силовых элементов.
Рисунок 2 – ПЧ с непосредственной связью
Для получения выходного напряжения близкого по форме к синусоидальному необходимо изменять угол включения вентилей таким образом чтобы среднее за полупериод питающей сети значение напряжения изменялось в течение полупериода выходного напряжения по синусоидальному закону. Регулирование частоты и напряжения на выходе преобразователя достигается изменением угла включения вентилей.
К достоинствам этого типа преобразователей можно отнести:
) однократное преобразование энергии и следовательно высокий КПД (около 097—098);
) возможность независимого регулирования амплитуды напряжения на выходе от частоты;
) свободный обмен реактивной и активной энергией из сети к двигателю и обратно
) отсутствие коммутирующих конденсаторов так как коммутация тиристоров производится естественным путем (напряжением сети).
К недостаткам рассмотренного ПЧ относятся:
) ограниченное регулирование выходной частоты (от 0 до 40 % частоты сети);
) сравнительно большое число силовых вентилей и сложная схема управления ими;
) невысокий коэффициент мощности — максимальное значение на входе преобразователя около 08.
б) ПЧ со звеном постоянного тока;
Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобрaзовaтели с явно выраженным звеном постоянного тока принципиальная схема которого приведена на рис. 3. В преобрaзовaтелях этого клaссa используется двойное преобрaзовaние электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (УВ) фильтруется фильтром (C) сглaживaется a затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобрaзовaние энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению мaссогaбaритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.
Преобразователь с промежуточным звеном постоянного тока позволяет регулировать частоту как вверх так и вниз от частоты питающей сети; он отличается высоким КПД (около 096) значительным быстродействием сравнительно малыми габаритами и надежностью.
Рисунок 3 – Принципиальная схема ПЧ со звеном постоянного тока.
СФ – сетевой фильтр для отсечения высших гармоник; В – выпрямитель обычно не регулируемый (в ПЧ первого поколения) для регулирования напряжения в звене постоянного тока; ДН и ДТ – датчики напряжения и тока; ТК – тормозни ключ; АИ – автономный инвертор обычно ШИМ (рис.4); МФ – мотор-фильтр уменьшение высших гармоник на двигатель; СУ – система управления.
Рисунок 4 – Принципиальная схема АИ
В качестве запираемых ключем в АИ могут использоваться GTO тиристоры или IGBT транзисторы.
Тиристор является полуупрaвляемым прибором: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий вывод но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для этого в тиристорным преобрaзовaтеле частоты требуется сложная и громоздкая система управления.
Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость простая неэнергоемкая система управления сaмaя высокая рaбочaя чaстотa.
Вследствие этого преобрaзовaтели частоты на IGBT позволяют расширить диaпaзон управления скорости вращения двигателя повысить быстродействие привода в целом.
Применение IGBT с более высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорной системой управления в преобрaзовaтелях частоты снижает
уровень высших гармоник хaрaктерных для тиристорных преобрaзовaтелей. Как следствие - меньшие добавочные потери в обмотках и мaгнитопроводе электродвигателя уменьшение нaгревa электрической машины снижение пульсаций момента и исключение так нaзывaемого «шaгaния» роторa в области малых частот. Снижаются потери в трaнсформaторaх конденсаторных бaтaреях увеличивaется их срок службы и изоляции проводов уменьшaются количество ложных срaбaтывaний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.
Изменением периода подачи управляючих импульсов на силовые ключи достигается изменение частоты напряжения подваемого на двигатель (рис. 5).
Рисунок 5 – Алгоритм подачи импульсов на транзисторы
При таком алгоритме в любой момент времени работают три силовых ключа (VT1 VT4 VT6)
Для работы двигателя необходимо с изменением частоты изменять и напряжение. Для этого его изменяют в звене постоянного тока либо используют ШИМ. При выборе соотношений между частотой и напряжением чаще всего исходят их условий сохранения перегрузочной способности.
Выбор преобразователя частоты производят исходя из условий:
Выбор двигателя и расчёт его параметров
Исходя из задания выбираем асинхронный двигатель серии 5А - 5АМ315M4У3. Основные характеристики приведены в табл. 1:
Номинальная мощность кВт
Номинальная частота вращения обмин
Коэффициент полезного действия %
Коэффициент мощности
Номинальный ток при 380 В А
Номинальный момент Нм
Индекс механической характеристики
Отношение пускового момента к номинальному моменту
Отношение пускового тока к номинальному току
Отношение максимального момента к номинальному моменту
Динамический момент инерции ротора кг*м2
Рисунок 6 –Двигатель серии 5А
Система охлаждения двигателей 5АМН250-315 (рис. 6) является комбинацией способов IC014 и IC041. Охлаждение двигателей осуществляется центробежным вентилятором расположенным на валу двигателя со стороны противоположной приводу обдувающим ребристую станину и вентиляционными лопатками ротора всасывающими воздух через нижнюю часть отверстий в подшипниковых щитах. Воздух омывает лобовые части обмотки и выбрасывается через отверстия в верхней части щитов.
Для защиты двигателей в аварийных режимах следствием которых может быть нагрев обмотки до недопустимой температуры по заказу потребителя двигатель может быть укомплектован встроенными температурными датчиками. В качестве датчиков используются полупроводниковые терморезисторы с положительным температурным коэффициентом - позисторы. Датчики встраиваются в лобовые части обмотки статора со стороны противоположной вентилятору наружного обдува по одному в каждую фазу соединяются последовательно концы цепи датчиков выводятся на специальные клеммы в коробке выводов. К этим клеммам подключают реле или иной аппарат реагирующий на сигнал датчиков. Датчики реагируют только на температуру их действие не зависит от причин возникновения опасного нагрева. Поэтому такая система обеспечивает защиту двигателя как в режимах с медленным нагреванием (перегрузка работа на двух фазах) так и в режимах с быстрым нагреванием (заклинивание ротора выход из строя подшипников и другое).
Этот двигатель обеспечивает подачу насоса 750 м3час при напоре 100 м.в.ст.
Рассчитываем параметры АД:
- Номинальная скорость вращения двигателя:
Получаем: ном = 1554 радс
- Скорость вращения на ХХ:
- Частота вращения на ХХ:
- Номинальное скольжение:
С помощью программы Matlab рассчитаем параметры для T-образной схемы замещения:
Рисунок – 7 Т-образная схема замещения АД
главное индуктивное сопротивление X348
активное сопротивление обмотки статора R100037
индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора X1006
приведенное активное сопротивление обмотки ротора R2'00077
приведенное индуктивное сопротивление обмотки ротора Х2' 0083
эквивалентная индуктивность намагничивания 00111
индуктивности рассеянья статора и ротора:
Соберём модель двигателя (при непосредственном питании от сети переменного тока 380В) в Matlab в Simulink:
Рассчитанные параметры схемы замещения вводим в блок являющийся моделью асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором:
Получим следующие характеристики двигателя:
Проектирование системы управления ПЧ-АД
1.Расчёт ПИД регулятора
ПИД-регулятор обеспечивает заданную скорость на исполнительном механизме (двигателе) независимую от действующей на него постоянной или медленно изменяющейся нагрузки.
ПИД-регулятор - пропорционально-интергально-дифференциальный регулятор. ПИД-регулятор состоит соответственно из пропорционального (Кп) интегрального (Киs) и дифференциального (Кдs) звена у каждого из них свой коэффициент усиления. Структурная схема системы управления с ПИД-регулятором:
Здесь: s - оператор Лапласа (иногда его обозначают как p). Если абстрагироваться от преобразований Лапласа то записи Кп Киs и Кдs следует воспринимать лишь как обозначения соответствующего звена а не как к математическому выражению. И уж точно не стоит искать значение s потому что как уже было сказано это оператор а не переменная.
В системе с ПИД-регулятором реальная скорость V(t) двигателя измеряется с помощью датчика.
На вход системы поступает заданное значение скорости Vзад(t) в тех же единицах что и реальная скорость.
Сумматор обратной связи вычитает из сигнала задания на скорость Vзад(t) сигнал реальной скорости V(t) и формирует на выходе сигнал ошибки e(t):
Сигнал ошибки поступает на пропорциональное интегральное и дифференциальное звенья ПИД-регулятора.
Пропорциональное звено производит умножение сигнала ошибки e на коэффициент Kп и формирует выходной сигнал yп.
Интегральное звено производит интегрирование сигнала e(t) по времени умножает на коэффициент Kи и формирует выходной сигнал yи.
Дифференциальное звено производит дифференцирование сигнала ошибки по времени e(t) умножения результата на число Kд и формирование выходного сигнала yд.
Сумматор ПИД-регулятора суммирует сигналы yп(t) yи(t) и yд(t) и формирует выходной сигнал y(t):
ШИМ и силовой ключ предназначены для передачи на двигатель рассчитанного выходного сигнала y(t).
Расчет коэффициентов ПИД-регулятора
ПИД-регулятор характеризуется тремя коэффициентами Kп Kи и Кд. Для расчета этих коэффициентов необходимо знать параметры объекта управления в данном случае двигателя.
Структура и параметры объекта управления
С точки зрения теории автоматического управления двигатель приближенно описывается: двумя апериодическими звеньями с электрической постоянной времени Tэ и механической постоянной времени Тм. Общий коэффициент усиления двигателя Kдв. На самом деле структурная схема двигателя намного сложнее но нам это в данном случае не так важно.
Структурная схема двигателя с точки зрения теории автоматического управления:
Передаточная функция двигателя записанная через оператор Лапласа s следующая:
Коэффициент усиления двигателя Kдв определяет пропорциональность между скоростью вращения вала двигателя на холостых оборотах и поданным на вход напряжением. Проще говоря коэффициент равен отношению скорости холостого хода Vхх и номинального напряжения двигателя Uн.
Напряжение на двигателе в микропроцессорной технике задается в условных единицах напряжения а скорость снимается в условных единицах скорости.
Если для формирования напряжения на двигателе используется 7-битный ШИМ то для расчета Kдв величина номинального напряжения равна 128 условных единиц напряжения.
Скорость холостого хода wхх заданную в паспортных данных двигателя следует перечитать в условные единицы скорости Vхх определяемые способом реализации датчика скорости.
Например пусть для измерения скорости используется инкрементный датчик расположенный на валу двигателя и имеющий 512 меток на оборот. Пусть скорость в условных единицах измеряется как количество меток за такт расчета Dt. Пусть такт расчета полученный путем оценки производительности алгоритма будет равен 0.001 сек. Пусть скорость холостого хода двигателя wхх=1500 обмин.
Переведем обороты двигателя в метки датчика получаем: 1500x512 = 768000 метокмин. Переведем минуты в такты расчета:
Механическая постоянная времени Тм зависит от момента инерции вала двигателя редуктора инерции исполнительного устройства. Подсчитать ее значение аналитическим способом обычно не представляется возможным. Поэтому ее измеряют экспериментально.
Для этого на двигатель при его номинальной нагрузки скачком подают максимальное напряжение и снимают переходной процесс изменения скорости V(t).
По графику переходного процесса можно определить во-первых скорость холостого хода Vхх а во-вторых время регулирования tр. Время регулирования определяется временем окончания переходного процесса (время когда кривая переходного процесса отличается меньше чем на 1% от установившегося значения).
Известно что время апериодического переходного процесса в пять раз длиннее его постоянной времени. Т.е.:
Отсюда для нашего случая получаем:
В нашем случае время регулирования tр судя по графику равно 1.8 сек. Тогда механическая постоянная времени Tм = 1.85 = 0.36 сек.
Таким образом построив график переходного процесса мы находим механическую постоянную времени Tм
Чтобы рассчитать коэффициенты ПИД-регулятора следует решить обратную задачу динамики. Для этого абстрагируемся от ПИД-регулятора. Будем полагать что структура регулятора т.е. его передаточная функция Wр(s) нам неизвестна. За то известна передаточная функция объекта управления Wдв(s)
Запишем передаточную функцию замкнутой системы Wз(s):
Нас вполне устраивает апериодический переходный процесс в системе. Именно так система должна реагировать на изменение скорости и нагрузки.
Пусть желаемая постоянная времени переходного процесса Tж будет примерно равна Tм. Т.е. передаточная функция желаемой системы Wж(s) равна:
Приравняем передаточную функцию замкнутой системы к передаточной функции желаемой системы:
Путем простых математических преобразований выразим отсюда выражение для передаточной функции регулятора Wр(s):
Подставим значение Wдв(s):
Введем коэффициенты:
Не сложно заметить что мы получили просто коэффициент C1 коэффициент перед интегральным звеном С2 и коэффициент перед дифференцирующим звеном C3. Т.е. мы получили классическую структуру ПИД-регулятора с параметрами Kп=С1 Ки=C2 и Kд=C3:
2 Расчет динамических режимов в системе регулирования скорости при векторном управлении асинхронным двигателем
В настоящем разделе рассматриваются настройки контуров регулирования и расчет динамических характеристик в системе регулирования скорости при векторном управлении асинхронным двигателем. Чтобы оперировать с цифрами фигурирующими в каталожных данных машины структурная схема представлена в эффективных значениях переменных.
Схема построена с использованием математического описания ненасыщенного асинхронного двигателя во вращающейся системе координат. Преобразователь характеризуется коэффициентом передачи по напряжению и чистым запаздыванием на время равное периоду ШИМ инвертора. Считается что токи i1A i1B i1C а следовательно и i1α и i1 измеряются безынерционными датчиками тока с некоторым коэффициентом kд.т. Считается также что величины определяемые в модели потока точно воспроизводят электромагнитный момент двигателя МД и потокосцепление ротора 2 в масштабах характеризующихся коэффициентами обратных связей по моменту и потокосцеплению ротора кдм и кдт соответственно. Датчик скорости имеет коэффициент передачи кдс. Сигналы на выходах датчиков обозначены символом и с соответствующим индексом. Такие же обозначения применены к выходным сигналам регуляторов взамен приведенных обозначений Поскольку настройка контуров регулирования производится в линеаризованной системе при таком уровне воздействий что выходные величины регуляторов не достигают значения ограничения блоки ограничения на схеме не показаны. Опыт показывает что стандартные настройки регуляторов рассчитанные по линеаризованному описанию системы обеспечивают удовлетворительную динамику системы построенной по принципам подчиненного регулирования и при ограничении выходных переменных регуляторов.
Настройка токовых контуров. Настройка производится без учета влияния перекрестных связей. Передаточная функция разомкнутого контура тока статора по оси записывается в виде
Рисунок 8 - Структурная схема системы регулирования скорости при векторном управлении асинхронным двигателем в эффективных (действующих) значениях переменных.
При частоте ШИМ равной fШИМ значение чистого запаздывания составляет В зоне частот где ≤-1 фазовая частотная характеристика звена чистого запаздывания близка к фазовой частотной характеристике апериодического звена с постоянной времени . На этом основании при расчете параметров регулятора тока можно принять малую постоянную времени равной времени чистого запаздывания ТI= и для настройки контура на ОМ применить ПИ регулятор с параметрами:
где р.т - динамический коэффициент регулятора тока.
При рассмотрении контура тока i1α должна быть учтена обратная связь по производной от потокосцепления ротора. Перенеся вход обратной связи на выход звена получим передаточную функцию объекта контура в виде
Поскольку обычно Т2»Т1 можно и в контуре тока i1α применить ПИ регулятор с параметрами такими же как в контуре тока i1.
Настройка контура регулирования потокосцепления ротора. Для расчета параметров регуляторе в контуре содержащем подчиненный замкнутый контур (в рассматриваемом случае - контур тока статора по оси α рекомендуется рассматривать его как апериодическое звено с эквивалентной малой постоянной времени равной удвоенной малой постоянной времени подчиненного контурa. Тогда передаточная функция объекта по которой рассчитываются параметры регулятора потока должна быть записана в виде
где Т - малая постоянная времени при отсутствии запаздывания в определении потокосцепления ротора Т= ТIэкв = 2ТI (ТIэкв - эквивалентная малая постоянная времени токового контура; ТI - малая постоянная времени контура тока).
Параметры ПИ регулятора потока должны быть следующим:
где - динамический коэффициент регулятора потокосцепления.
Настройка контура регулирования электромагнитного момента двигателя. Контур не содержит звена с большой постоянной времени. В предположении что в двигателе установлено номинальное потокосцепление ротора 2н передаточная функция объекта при расчете в амплитудных значениях имеет вид
Если расчет ведется в эффективных значениях то коэффициент в этом выражении для момента надо принять равным трем:
где Тм - малая постоянная времени контура регулирования момента.
В этих выражениях - передаточная функция апериодического звена которым при расчете параметров регулятора момента заменена передаточная функция замкнутого контура тока i1 при Тм=TIэкв= 2TI.
Для настройки контура на ОМ регулятор должен быть интегрирующим с передаточной функцией
где р.м - динамический коэффициент регулятора момента.
Если расчет выполняется в амплитудных значениях то
При расчете в эффективных значениях
Настройка контура скорости. Настройка произведена на ОМ. Поскольку объект представляет собой интегрирующее звено для настройки на ОМ надо применить пропорциональный регулятор скорости с коэффициентом
При настройке на СО регулятор скорости должен быть пропорционально-интегральным. Его коэффициент рассчитывается по формуле т.е. р.с= kр.с а постоянная времени должна быть равна р.с = 4Т (Т) = ТМэкв = 2Т).
Расчет выполнен в эффективных значениях переменных. Приняты следующие упрощения: коэффициент передачи преобразователя принят равным единице (kп=1) равными единице без указания размерности приняты и коэффициенты обратных связей (kД.Т=1; kД.М=1; kД.ПТ=1; kд.с=1). Такое упрощение не повлияет на характер переходных процессов и скажется только на рассчитанных значениях коэффициентов регуляторов и установившихся значениях величин так как передаточные функции разомкнутых контуров останутся при этом соответствующими стандартным настройкам. Результаты расчета параметров регуляторов при принятых допущениях сведены в таблицу.
Расчеты переходных процессов выполнены по структурной схеме в среде MATLAB Simulink.
Расчет параметров регуляторов:
Коэффициент усиления и постоянная времен3и ПИ регулятора тока при fШИМ=4000Гц(ТI=25·10-4с)
Т1=0133·00509=000677 с
Коэффициент усиления и постоянная времени ПИ регулятора потока при
Коэффициент усиления ПИ-регулятора момента при 2н.эф=0599 Вб и ТМ=5·10-4 с
Коэффициент регулятора скорости при
Значения переходных процессов в системе при внешних воздействиях на столько малы что не приводят к ограничению выходных сигналов регуляторов момента и тока по поперечной оси (i1). В момент времени t=001 с через задатчик интенсивности обеспечивающий плавное нарастание сигнала на вход контура регулирования потока подается сигнал задания номинального потокосцепления ротора.
Очень важно сделать правильный выбор преобразователя. От него будет зависеть эффективность и ресурс работы преобразователя частоты и всего электропривода в целом. Так если мощность преобразователя будет слишком завышена он не сможет в должной мере обеспечить защиту двигателя. С другой стороны если мощность преобразователя мала он не сможет обеспечить высокодинамичный режим работы и из-за перегрузок может выйти из строя.
При работе одного ПЧ с одним двигателем выбор ПЧ может производиться по следующим параметрам:
1 Паспортная мощность ПЧ [кВт] должна быть больше или равна паспортной мощности двигателя [кВт]. Причем изготовители ПЧ всегда указывают что этот критерий распространяется на двигатели с двумя парами полюсов (2p=4 и синхронная скорость вращения соответственно равна 1500 обмин) работающих на нагрузку с постоянным моментом (транспортер конвейер) для преобразователей с перегрузочной способностью 150% и - работающих на центробежные насосы и вентиляторы для ПЧ с перегрузочной способностью 120%.
2 Номинальный длительный ток ПЧ должен быть больше (или равен) фактического длительного тока потребляемого двигателем.
Для управления насосом выбираем преобразователь частоты компании Fuji Electric серии Frenic Eco модель FRN315F1S-4E. (Высота×ширина×глубина=1000×680×380)
Преобразователи частоты серии Frenic Eco обладают наилучшим соотношением стоимостьпроизводительность и наиболее полными возможностями для управления насосами и вентиляторами среди подобных серий других марок. Кроме того Frenic Eco является единственной насосной серией допускающей эксплуатацию при окружающей температуре до +50°С без снижения характеристик.
Использование функции «ПИД-регулятор» позволяет не прибегая к помощи дополнительного оборудования создать систему автоматического регулирования давления (расхода) на выходе насоса. Достаточно установить датчик давления (расхода) с выходом 4-20 мА (0-10 В). Задавать необходимое давление можно выносным резистором и естественно с пульта управления. Также на LED дисплее пульта можно отображать давление в режиме реального времени.
Рисунок 9 – Пример подключения ПЧ
Сигнал от датчика давления сравнивается с фиксированным заданием преобразователя частоты. Рассогласование между этими сигналами задает частоту вращения крыльчатки насоса.
Преимущества данного ПЧ:
Улучшенный алгоритм энергосбережения.
Расширенный ПИД-регулятор с функциями спящего режима детектора обрыва аналоговых сигналов нижним и верхним ограничителями выхода ПИД-регулятора аварии при выходе абсолютного значения или отклонения сигнала ОС из заданного диапазона и т.д.
Нечувствительность к кратковременным провалам питания.
Автоподхват двигателя при любом направлении свободного вращения.
Функции переключения сетьинвертер с возможностью автоматического переключения двигателя на сеть при срабатывании защиты инвертера.
Обнаружение низкого момента.
Функция прогревасушки двигателя.
Монитор аналогового входа.
Счетчик потребленной электроэнергии.
Модификации IP54 со встроенным фильтром ЭМС и дросселем звена постоянного тока.
Оценка срока службы конденсатора звена постоянного тока (расчетный срок службы увеличен до 10 лет) и суммарного времени работы инвертора.
Меню быстрой настройки.
4 Выбор средств защиты
А) Автоматические выключатели
Для защиты людей электропроводок и электрических устройств применяются специальные защитные устройства включаемые непосредственно на входе цепи потребителя. Все эти устройства защищают электрические цепи от чрезмерного тока вызванного замыканиями в цепях.
Автоматические выключатели размыкают питающие цепи в случае увеличения выше номинального значения протекающего через них тока осуществляя таким образом отключение электрооборудования от сети. Кроме того они имеют возможность замыкания цепи (функция включения) в том числе повторного. К автоматическому выключателю предъявляются требования малого времени размыкания цепи (отключения). Автоматические выключатели соответствуют современным нормам электробезопасности.
Современный автоматический выключатель состоит из подпружиненного механического выключателя замыкающего контактную группу автомата во взведенном состоянии теплового (на базе биметаллической пластины) и электромагнитного (на базе соленоида) размыкателей дугогасительного устройства и универсальных контактов.
Тепловой размыкатель предназначен для защиты цепей по току перегрузки а магнитный — для защиты от короткого замыкания. Тепловой размыкатель срабатывает после нагрева биметаллической пластины. Время нагрева пластины зависит от величины тока превышающей номинальное значение. Этот тип размыкателя — инерционный. Размыкатель не реагирует на небольшие кратковременные увеличения значения тока. Магнитный размыкатель является быстродействующим. Его срабатывание происходит при превышении значения номинального тока в несколько раз.
Во взведенном состоянии контакты выключателя замкнуты ток в цепи протекает через обмотку магнитного размыкателя и часть биметаллической пластины. Срабатывание одного из размыкателей приводит к освобождению взводной пружины и сбрасыванию выключателя который в свою очередь размыкает контактную группу. Чтобы защитить контакты от подгорания в момент размыкания параллельно им установлены дугогасительные камеры представляющие собой набор медных пластин разделенных воздушной прослойкой.
Универсальные контакты позволяют фиксировать как проводники так и клеммы или шины. Конструктивно все выключатели крепятся на стандартную DIN-рейку шириной 35 мм. Крепление корпуса автоматического выключателя осуществляется с помощью одной защелки. Для удобства защелка имеет два фиксированных положения. В верхнем положении защёлки корпус выключателя фиксируется на DIN-рейке в нижнем — он освобожден. Головка винта крепления позволяет использовать и крестовую и плоскую отвертки.
По способу размыкания питающей сети автоматические выключатели можно разделить на следующие типы:
однополюсные с нейтралью;
трёхполюсные с нейтралью;
Произведем выбор автоматических выключателей исходя из условия что
Выбираем 3 3х полюсных автоматических выключателя серии А3730Ф: Iн=630А Iотк = 50 кА
Для защиты реле контроля фаз выбираем автоматический выключатель ВА4729 ИЭК: Iн=5А Iотк = 4.5 кА
Для защиты вытяжного вентилятора выбираем 1 полюсный автоматический выключатель ВА4729 ИЭК: Iн=3А Iотк = 4.5 кА
На входе в шкафу управления устанавливаем рубильник для отключения силовых цепей с созданием видимого разрыва. Выбираем рубильник Р2525:
В) Сетевой дроссель
Питающая сеть подвержена воздействиям нелинейных приемников которые вызывают деформации протекания синусоидального напряжения следовательно увеличивают потери а также создают помехи для работы других машин и приборов питающихся от сети. Применяемые дроссели позволяют решить множество проблем:
-ограничивают возникновение гармоник в сети
- гасят коммутационные перенапряжения
- в случае короткого замыкания уменьшают ток установившегося короткого замыкания и производную тока.
Управляемые выпрямители и инверторы генерируют в сети ряд гармоник которые сильно искажают ход синусоиды напряжения вызывая увеличение потерь мощности всех машин и приборов питающихся от сети. Сетевые дроссели ED1N или ED3N ограничивают распространение всех гармоник в сети и гасят коммутационные перенапряжения возникающие во время переключения
тиристоров. Применение сетевых дросселей вызывает ослабление взаимных помех создаваемых преобразователями во время коммутации.
Выбираем трёхфазный сетевой дроссель ED3N.
Рисунок 10 – Сетевой дроссель
Г) Реле контроля фаз
Реле контроля фаз предназначено для защиты нагрузки подключаемой к трехфазной сети путем её аварийного отключения при обрыве повышении или понижении напряжения сети при нарушении порядка чередования фаз.
Выбираем реле контроля фаз УЗР-5:
Контролируемая сеть трехфазная 220380 В (с нейтралью)
Частота контролируемой сети 50 – 60 Гц
Время срабатывания защиты регулируемое 0 – 10 сек
Уровни срабатывания защиты
понижение напряжения 250В
повышение напряжения 420В
Выключение нагрузки при обрыве фазы есть
Максимальный ток через контакты исполнительного реле 5 А
Возможность питания от внешнего источника есть
У реле с самозапуском нагрузка включится на 1-2 секунды и при неверном чередовании фаз выходе параметров сети за установленные пределы или обрыве фазы реле выключится. Система с самовозвратом после аварийного срабатывания по прошествии времени возврата(1.5-2 мин.) снова включит нагрузку и перейдет в рабочий режим.
Рисунок 11 – Реле контроля фаз
Рисунок 12 – Схема включения реле контроля фаз
Для защиты шкафа и оборудования установленного в нём от перегрева установим термостат. Термостат контролирует температуру воздуха в шкафу и при её повышении больше заданного уровня замыкает контакт цепи питания вытяжного вентилятора включая его. При понижении температуры до заданной термостат разрывает цепь питания вытяжного вентилятора тем самым выключая его. Выбираем термостат Stego.
Выбираем вентилятор PF 6.000: Un=220В Рn=165 Вт рабочая температура
Рисунок 13 - Вентилятор
5Выбор датчика давления
Датчик давления предназначен для измерения давления и вывода аналогового сигнала (выходной сигнал 4-20 мА двухпроводной) на ПИД-регулятор преобразователя частоты или на контроллер. Возможные пределы измерения давления от 1 до25 бар. Части контактирующие с измеряемой средой выполнены из нержавеющей стали и полностью заварены исключая возможное повреждение измерительной части преобразователя в результате влияния измеряемой среды. Компактный корпус также имеет исполнение из нержавеющей стали и имеет класс пылевлагозащиты IP65.
Датчик давления рекомендуется подключать к шкафу управления витой парой или экранированной витой парой.
Выбираем датчик давления 8000-SAN:
-Диапазон измерений давления: от 01 до 80 бар
- Выходной сигнал: 4 20 мА
- Точность измерения: 02% от диапазона измерения
- Напряжение питания: 13 40 В DC
- Рабочая температура: -20 +100°С *
- Температурная зависимость: ±0015%К
- Класс защиты: IP66
Серия 8000-SAN имеет особую конструкцию предотвращающую засорение и избавляет от необходимости внутренней чистки они имеют прочную торцевую мембрану из нержавеющей стали тем самым полностью удовлетворяя требованиям пищевой химической и фармацевтической промышленности. Части датчиков контактирующие со средой в стандартном исполнении изготавливаются из нержавеющей стали AISI 316 под заказ возможно использование других материалов. Под заказ доступны исполнения датчиков с различными технологическими соединениями например: хомутное соединение молочные гайки фланцы и санитарно6технические соединительные втулки диаметром 62 и 85 мм и др.
Датчики серии 8000-SAN полностью сбалансированы по температуре это означает что различные рабочие температуры практически не будут влиять на точность выходного сигнала. При возникновении поломок датчик можно отремонтировать. Есть возможность отдельной замены сенсора и диафрагмы и
платы электронной схемы.
Рисунок 14 – Датчик давления 8000-SAN
6 Схема управления насосом
При разработке схемы управления необходимо обеспечить максимальную защиту оборудования от различного рода негативных воздействий а также обеспечить защиту персонала от поражения током.
Система управления должна обеспечивать регулирование подачи воды в зависимости от графика потребления. В разрабатываемой системе регулирование подачи воды будет осуществляться по показателям датчика давления. Сигнал от датчика давления сравнивается с фиксированным заданием преобразователя частоты. Рассогласование между этими сигналами задает частоту вращения крыльчатки насоса. Таким образом при закрытых кранах потребителей давление в магистрали будет расти и с датчика давления сигнал об этом поступит на вход ПЧ который уменьшит частоту вращения насоса уменьшением частоты питающего напряжения и тем самым уменьшится подача воды и энергопотребление двигателя.
Рисунок 15 – Схема управления насосом
Пуск насоса осуществляется нажатием кнопки SВ1 остановка осуществляется нажатием кнопки SВ2. Контактором КМ2-КМ3 осуществляется переключение питания насоса от ПЧ или от сети. Лампочки HL1 и HL2 являются индикаторами работы насоса от ПЧ или от сети. Вытяжной вентилятор М1служит для охлаждения шкафа управления его включение обеспечивается термостатом К1. Датчик давления ВР1 служит для замера давления в выходной магистрали и передачи его значения на ПИД-регулятор ПЧ.
Всё оборудование необходимое для управления насосом размещаем в шкафу управления (естественно кроме датчика давления).
Рисунок 16 – Шкаф управления
Моделирование системы управления ПЧ-АД с помощью Matlab
Блок The Universal Bridge является универсальным конвертером с тремя фазами который состоит из шести выключателей мощности связанных в конфигурацию моста. Тип выключателя мощности и конфигурация конвертера выбирается в диалоговом окне. Блок позволяет моделирование конвертеров используя свободно коммутируемые электронные устройства (диоды или тиристоры) и принудительно коммутируемые устройства (GTO IGBT MOSFET).
Используем данный блок в качестве инвертора.
Asynchronous Machine – модель асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Электрическая система блока:
Механическая система блока:
Bus Selector – выводит указанное множество сигналов поступающих на вход.
Из этих блоков собираем модель управления двигателем:
Субсистема DTC Induction Motor Drive:
В результате моделирования получаем следующие характеристики системы ПЧ-АД:
В курсовом проекте была разработана система управления насосом с использованием преобразователя частоты со звеном постоянного тока. Сигнал с датчика давления установленного в выходной магистрали поступает на ПИД-регулятор инвертора и сравнивается с фиксированным заданием преобразователя частоты. Рассогласование между этими сигналами задает частоту вращения крыльчатки насоса.
Выбранная система управления отвечает всем современным требованиям. Она является современной простой эффективной надёжной и энергосберегающей.
Таким образом выбор системы управления был произведён верно.
М.П. Белов – Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов; Академия2004 - 576 с.
В.М. Терехов – Системы управления электроприводов; Академия2005 304 с.
Г.Г. Соколовский – Электроприводы переменного тока с частотным регулированием; Академия2007 - 272 с.
В.Ф. Чабаевский – Проектирование насосных станций; Колос2000 - 376 с.
Э.В. Залуцкий – Насосные станции. Курсовое проектирование; Высшая школа 1987 – 167с.

Схема управления.dwg

Схема управления насосом 250 кВт.
КП 1406.15.00.01.000 Э3
КП 1406.15.00.01.000 ЭЗ
График достижения током статора установившегося значения
График достижения установившегося значения момента
Механическая характеристика двигателя
График достижения установившегося значения скорости