|
500
|
3000
|
0,7
|
94,8
|
0,89
|
0,85
|
2,4
|
0,85
|
5,7
|
10
|
3850
|
13700
|
Скорость вращения двигателя совпадает с необходимой скоростью
вращения насоса, следовательно, нет необходимости применения передачи.
центробежный насос электропривод электродвигатель
4. Механические характеристики двигателя и
производственного механизма. Совместная механическая характеристика
электропривода
Номинальная скорость вращения:
ном=n0(1-sном)=3000 (1-0,007)=2979
об/мин. (4.1)
- номинальная частота вращения двигателя:
(4.2)
синхронная частота вращения двигателя:
(4.3)
критическое скольжение:
(4.4)
номинальный момент двигателя:
(4.5)
критический момент двигателя:
(4.6)
Зависимость частоты вращения от скольжения:
(4.7)
Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя:
(4.8)
Механическая характеристика центробежного насоса:
(4.9)
где 
(4.10)
(4.11)
, (4.12)
, (4.13)
Уравнение совместной механической характеристики:
(4.14)
Изменяя s в пределах от 0 до 1 с шагом 0,01, строим в одной
координатной плоскости механическую характеристику двигателя, механическую
характеристику центробежного насоса и совмещённую механическую характеристику.
5.
Кривая разгона двигателя и определение времени пуска
Так
как ЭП - частотно регулируемый, то пуск производим при пониженных напряжении и
частоте, уменьшая тем самым динамические удары и пусковые потери мощности, но
увеличивается время пуска до значения, удовлетворяющего технологическому
процессу. Для анализа процесса пуска произведём расчёт прямого пуска. В
реальных условиях пуск приводного ЭД производится в три этапа:
- открытие
задвижки на выходе насоса;
- пуск
ЭД;
открытие
задвижки на входе насоса;
Так
как пуск ЭД производится не под полной нагрузкой, момент сопротивления
принимаем равным 0,4*Мс.
Расчет времени запуска асинхронного двигателя производим по
методу площадей с помощью программы Exel на ЭВМ.
Разбиваем ось координат на ряд участков DwI, при этом Dw1 =Dw2 = … =DwI, при этом точность
расчета будет зависеть от количества участков разбиения.
Совместная механическая характеристика механизма заменяется
аппроксимирующей ломаной кривой и считается, что на каждом участке разбиения:
(5.1)
Общая длительность пуска:
, (5.2)
где 
- определяется для каждого участка
разбиения по формуле:
. (5.3)
Суммарное время разгона электропривода до номинальной скорости:
; t = 8,773 с.
6. Определение времени торможения и построение кривой торможения
На НПС «Шкапово» перекачка ведётся в циклическом режиме, т.е.
остановка одного двигателя сопровождается запуском другого по следующей схеме:
- открытие задвижки на выходе насоса, приводом
которого является вновь запускаемый ЭД;
- пуск ЭД;
открытие задвижки на входе вводимого в работу насоса
и закрытие задвижки на входе выводимого из работы насоса;
отключение питания от останавливаемого насоса и закрытие
задвижки на выходе этого насоса.
Магистральный насос работает в продолжительном режиме,
остановка приводного ЭД необходима лишь в случае возникновения аварийных
ситуаций в системе перекачки нефти или на время планового ремонта, в том числе
технический осмотр и центровка ЭП. Поэтому выбираем способ торможения такой,
как самоостанов ЭД под действием момента сопротивления насоса.
Расчет времени торможения производим по методу площадей,
аналогично предыдущему пункту.
Суммарное время торможения
; tc = 9,85 с.
7. Построение кривых нагрева и охлаждения
двигателя
При составлении выражения для построения кривой нагрева
принимаем класс изоляции обмотки статора H, которая рассчитана на
длительно допустимую температуру 180о С [1].
Допустимое превышение температуры изоляции над температурой
окружающей среды
. (7.1)
Постоянная времени нагрева асинхронного двигателя:
Постоянная времени охлаждения:
Выражение для построения кривой нагрева:
(7.2)
Выражение для построения кривой охлаждения:
(7.3)
8. Управление электроприводом
Способ регулирования скорости вращения
двигателя выбираем частотный, так как этот способ обеспечивает плавное
регулирование скорости в необходимом диапазоне, а получаемые характеристики
обладают высокой жесткостью. Частотный способ обладает к тому же и еще весьма
одним важным свойством: регулирование скорости АД не сопровождается увеличением
его скольжения, поэтому потери мощности при регулировании скорости небольшие.
Для лучшего использования АД и получения высоких
энергетических показателей его работы - коэффициентов мощности, полезного
действия, перегрузочной способности - одновременно с частотой необходимо
изменять и подводимое к двигателю напряжение. Закон изменения напряжения при
этом зависит от характера момента нагрузки.
Для
вентиляторного характера момента это соотношение имеет вид:
.
Распространенной системой частотно-регулируемого асинхронного
привода является система со статическим преобразователем частоты с автономным
инвертором. Наибольшее применение для промышленных приводов может иметь
статический преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока
(ПЗПТ).
Преобразователь состоит из трех силовых элементов -
выпрямителя (управляемого или неуправляемого), фильтра (Ф) и автономного
инвертора (АИ). На вход выпрямителя (В) подается нерегулируемое напряжение
переменного тока промышленной частоты (UП); на выходе выпрямителя
постоянное пульсирующее напряжение с постоянными значениями Ud и Id (в случае неуправляемого
выпрямителя) или изменяющимися (в случае управляемого). С выхода выпрямителя
постоянное напряжение через сглаживающий фильтр (Ф) подается на вход инвертора
(чаще АИН), который преобразует постоянное напряжение в переменное регулируемой
амплитуды и частоты (U2=var, f2=var). В качестве сглаживающего фильтра в данной
схеме обычно используется катушка индуктивности с сердечником. Кроме силовых
элементов, преобразователь содержит систему управления (рисунок 8.2), состоящую
из блока управления выпрямителя (БУВ) и блока управления инвертором (БУИ).
Выходная частота регулируется в широких пределах и определяется частотой
коммутации тиристоров инвертора, которая задается блоком управления инвертором.
В такой схеме производится раздельное регулирование амплитуды и частоты
выходного напряжения, что позволяет осуществить при помощи блока задания
скорости (БЗС) требуемое соотношение между действующим значением напряжения и
частотой на зажимах асинхронного двигателя.
Промежуточное звено постоянного тока позволяет регулировать
частоту как вверх, так и вниз от частоты питающей сети; он отличается высоким
КПД (около 0,96), значительным быстродействием, малыми габаритами, сравнительно
высокой надежностью и бесшумен в работе [3].
9. Технико-экономическое сравнение вариантов
подключения преобразователей частоты
Возможны два варианта подключения преобразователей частоты:
- использование высоковольтных преобразователей частоты;
- использование низковольтных преобразователей частоты по
схеме: понижающий трансформатор - низковольтный преобразователь частоты -
повышающий трансформатор - высоковольтный ЭД (рис. 9.1). Наиболее экономичную
схему частотного преобразователя определим по наименьшим потерям мощности в
элементах схемы.
Данная схема подключения обеспечивает возможность
использования низковольтного преобразователя частоты с высоковольтным
электродвигателем.
Трансформатор Т1 - понижает напряжение питания до 690В (380В)
и обеспечивает гальваническую развязку электропривода с питающей сетью.
Преобразователь частоты - осуществляет управление частотой
вращения электродвигателя, его плавный запуск и останов, а также обеспечивает
функции защиты.
Выходной дроссель улучшает синусоидальность выходного напряжения.
Трансформатор Т2 - повышает выходное напряжение
преобразователя частоты до 6кВ и обеспечивает гальваническую развязку
преобразователя частоты с электродвигателем.
Входной трансформатор
Назначение
Входной трансформатор служит для преобразования входного
напряжения (3 фазы, 6 кВ) в выходное напряжение (18 фаз, 578 В), которое после
выпрямления питает ячейки инвертирования.
Устройство
Основной особенностью данного трансформатора является то, что
вторичные обмотки разделены на три группы - по шесть обмоток в группе. Фазовый
сдвиг между соседними обмотками в группе составляет 10°. Фазовый сдвиг между
первой и шестой обмотками группы составляет 50°. Каждая выходная обмотка
трансформатора нагружена на выпрямитель своей ячейки инвертирования.
Данная серия преобразователей частоты обладает следующими
основными свойствами:
. Высокий КПД (около 98%) и высокий коэффициент мощности
(около 95%).
. Регулирование выходного напряжения и частоты.
. Управление преобразователем от пульта управления, внешними
командами, с помощью персонального компьютера и контроллера.
. Возможность подключения к общепромышленным сетям со
стандартными протоколами (Device NET, Profibus DP, Modbus Plus).
. Большой ряд мощностей преобразователей (8250 В, 6600 В)
. Использование IGBT-ключей в силовой цепи преобразователей
частоты.
. Способ управления - многоуровневая широтно-импульсная
модуляция.
. Преобразователи частоты данной конструкции не требуют
дополнительных сетевых фильтров для защиты сети от помех генерируемых
преобразователем
Инвертор
Инвертор на каждую фазу состоит из шести ячеек
инвертирования, что позволяет осуществлять на обмотке двигателя амплитудную
модуляцию по 13 уровням, в сочетании с широтно-импульсной модуляции. Подобная
многоуровневая ШИМ позволяет получать практически синусоидальные токи в
обмотках и снижает потери в двигателе.
Рассчитаем КПД высоковольтного частотного преобразователя:
(9.1)
Потери мощности в высоковольтном частотном преобразователе вычисляются
по формуле:
, (9.2)
где ΔPтр - потери мощности в трансформаторе;
ΔPв - потери мощности в
вентилях;
ΔPф - потери мощности в
фильтре (дросселе);
ΔPвсп =0,5÷3% ΔPd - потери мощности во
вспомогательных устройствах;
Выбираем трансформатор по справочнику [9] ТМГ-630.
Таблица 9.1 - Технические характеристики трансформатора
ТМГ-630
|
Мощность, кВА
|
Схема и группа
соединения
|
Ток х. х., % от
номинального
|
Напряжение к.
з., %
|
Потери, Вт
|
Шумовые характеристики,
дБА
|
Габаритные
размеры, мм
|
Стоимость
включая НДС=18%, руб.
|
|
|
|
|
К. з.
|
Х. х.
|
LА
|
LPА
|
L
|
B
|
H
|
130862
|
|
630
|
У/Ун-0
|
2
|
5,5
|
1240
|
7600
|
68
|
1300
|
860
|
1350
|
|
|
Д/Ун-11
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Найдём потери мощности в трансформаторе [10]
Потери активной мощности в трансформаторе:
(9.3)
Потери мощности в вентилях в современных выпрямительных
устройствах представляют собой очень малую величину, т.е.
ΔPв≈0. Потери мощности в фильтре вычисляются по формуле: 
где Rдр≈ 0 - активное
сопротивление дросселя, следовательно, потерями мощности в фильтре можно также
пренебречь. Таким образом, КПД высоковольтного частотного преобразователя будет
равен:
Коэффициент мощности χ можно подсчитать по
следующей формуле:
где ν=0,99 - коэффициент
искажения формы для неуправляемых выпрямителей. Отсюда 
.
Таблица
9.2 - Преобразователи частоты серии FDU40-500 кВт
|
Тип FDU40
|
900
|
|
Номинальная
мощность, кВт
|
500
|
|
Номинальный
выходной ток, А
|
900
|
|
Ограничение
тока ICL, 120 с, А
|
1080
|
|
Пиковый ток
двигателя, А
|
2547
|
|
Входной ток А
|
865
|
|
Окружающая
температура при номинальной мощности IP20, IP54,оС
|
0-40 0-35
|
|
Частота коммутации
fS,кГц
|
1.5 кГц
|
|
К.п.д. (Рном
при fS = 1,5 кГц), %
|
98
|
|
Потери (Рном
при fS = 1,5 кГц), кВт
|
10
|
|
Снижение
мощности, %/ оС
|
-2.5 до +10
оС
|
|
Степень защиты
|
IP20
|
|
Размеры,
ВхШхГIP20 IP23/54 мм
|
3x1100 (1145)
x500x420 2150x1800x500
|
|
Вес IP20 (IP23/IP54) кг
|
480
|
Таблица 9.3 - Общие данные серии FDU40
|
Напряжение
питания
|
В
|
380-415 +10% /
-15% (Возможно перепрограммирование на 230 В +10% / -15%)
|
|
Частота сети
|
Гц
|
50 / 60
|
|
Выходная
частота
|
Гц
|
0-400
|
|
Выходное
напряжение
|
В
|
0 - Напряжение
сети
|
|
Уровень шума
|
dB(A)
|
<=70
|
|
Относительная
влажность
|
%
|
0 - 90 (без
конденсата)
|
|
Атмосферное
давление
|
кПа
|
86 - 106
|
|
Вибрация
|
|
EN60068-2-6 Fc:
10-150 Гц; 0,075 мм /1g
|
|
Охлаждение
|
|
Принудительное,
автоматическое
|
|
Коэффициент
мощности по входу
|
|
0,95
|
|
Время разгона /
торможения
|
0,01-3600
|
Таблица 9.4 - Технические характеристики преобразователя
частоты MELTRAC-F500HV-500
|
Модель
|
PMT-F560HV-500
|
|
Выходные
параметры
|
Номинальная
мощность
|
500
|
|
Номинальный ток
|
49
|
|
Токовая
перегрузка
|
Стандартная -
120% 60 сек, опционно - 150% 60 сек
|
|
Напряжение
|
3 фазы 6000 В
50 / 60 Гц
|
|
Входные
параметры
|
Номинальное
входное напряжение
|
3 фазы 6000 В
50/60 Гц
|
|
Пределы
изменения входного напряжения
|
5100 ~ 6600 В
|
|
Пределы
изменения входной частоты
|
± 5%
|
|
Входная
мощность
|
500
|
|
Тип охлаждения
|
Принудительное
охлаждение
|
10. Математическая модель электропривода
Общая структура электропривода
Для составления математической модели
удобно воспользоваться представлением системы в переменных входы-выходы,
которая отличается отражением в модели реальных физических величин, что в свою
очередь более удобно при рассмотрении конкретных систем электроприводов
различных производственных механизмов.
Общая структура электропривода
представляется в виде схемы, где раскрываются входные и выходные переменные
каждого звена системы электропривода.
Частотный преобразователь можно разделить
на три основные части: неуправляемый выпрямитель, инвертор и систему управления
выпрямителем и инвертором. Частотно-регулируемый асинхронный двигатель (АД),
вращая центробежное колесо насоса, воздействует на величину давления жидкости в
системе трубопроводов. Давление жидкости фиксируется датчиком давления.
Преобразованный с помощью измерительного преобразователя сигнал с датчика
передается в системы управления ПЧ. Для представления математической модели ЭП
необходимо составить систему уравнений описывающих электрическое и
электромагнитное состояние ЭП, а также систему уравнений, описывающую
механические процессы, протекающие в ЭП. Для составления уравнений,
характеризующих электрическое и электромагнитное состояние электродвигателя,
удобно воспользоваться Т-образной схемой замещения асинхронного двигателя.
Уравнения, характеризующие электрическое
состояние статора и ротора электродвигателя:
U1ф - Uab = I1R1
+ jX1I1; (10.1)
Uab = (R’2/s)·I’2
+ jX’2I’2; (10.2)
где U1Ф - напряжение фазы обмотки статора;
Uab - напряжение на «зажимах» ветви намагничивания;
I1 - ток фазы статорной обмотки;
R1, X1 - активное и индуктивное сопротивление фазы
обмотки статора;
X2' - приведенное индуктивное сопротивление ротора;
R2'/s - приведенное активное сопротивление ротора с учетом
механической нагрузки на валу двигателя;
I2' - приведенный ток ротора.
Уравнения, характеризующие
электромагнитное состояние электродвигателя:
Uab = jX0I0;
(10.3)
I1 + I’2 = I0.
(10.4)
где X0 - индуктивное сопротивление ветви
намагничивания;
I0 - ток холостого хода (ветви намагничивания).
Уравнения, описывающие механику двигателя:
; (10.5)
где ω0 - синхронная частота
вращения.
; (10.6)
; (10.7)
где Мс - статический момент сопротивления, Нм;
J - момент инерции
двигателя, кг-см2.
После перехода к операторной форме,
выражения 10.1-10.3, 10.7 примут следующий вид:
U1ф - Uab = I1R1
+ pL1I1; (10.8)
- Uab = (R’2/s)*I’2
+ pL’2I’2; (10.9)
Uab = pL0I0, (10.10)
; (10.11)
а выражения 10.4 и 10.6 для дальнейшего
анализа удобно представить в виде:
I0 = I1 + I’2; (10.12)
; (10.13)
Структурная схема электропривода
Структурная схема выпрямителя
Соответствует уравнению 10.14,
описывающему его работу.
Ud=K1U2; (10.14)
где К1 = 2,34.
Из выражения видно, что выходными
сигналами системы управления преобразователя частоты являются глубина модуляции
и частота модуляции, они же наряду с Ud, будут являться входными
для инвертора с широтно-импульсной модуляцией.
Структурная схема асинхронного двигателя
Структурная схема асинхронного двигателя
может быть представлена на основании выражений 10. 5,10.8-10.13.
Цепь статора
Преобразуем выражение 10.8 относительно I1.
; (10.15)
T1=L1/R1 - постоянная времени
фазы статорной обмотки.
Цепь ротора
Преобразуем выражение 10.10 относительно I'2:
; (10.16)
где К5=1/R'2 - коэффициент передачи
звена;
T2=L2'/R'2 - постоянная времени
фазы обмотки ротора.
Выводы
В данном курсовом проекте был спроектирован
автоматизированный ЭП НПС «Шкапово» для насоса МН-500/300.
Для данного ЭП был произведён расчёт и
анализ двух типов преобразователей частоты - высоковольтного с большой
энергетической эффективностью, но большей стоимостью и низковольтного с
преемлемой ценой и чуть меньшими энергетическими показателями. На данный момент
внедряемым вариантом частотно-регулируемого ЭП может служить низковольтный
преобразователь FDU40-900, получающий питание через понижающий трансформатор ТМГ-630
и управляющий ЭД-ем напряжением питания 6 кВ через повышающий трансформатор той
же марки. ЭП работает в продолжительном режиме, для остановки ЭП используется
самоторможение.
В спроектированном приводе используется
двигатель серии АЗМВ, мощностью 500 кВт с синхронной частотой вращении 3000
об/мин во взрывобезопасном исполнения.
Список литературы
1. Бабакин
В.И., Байбурин Э.Р., Башаров Р.А. Курсовое проектирование по теории
электропривода: Учеб. пособие. Уфа: Изд-во УГНТУ, 1999.154 с.
2. Бабакин
В.И., Байбурин Э.Р., Башаров Р.А. Курсовое проектирование по теории
электропривода: Учеб. пособие. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2000. 84 с.
. Чиликин
М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. - М.: Энергоиздат, 1981. - 576
с., ил.
. Забродин
Ю.С. Промышленная электроника; Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1982.С.
331337.
. Ильинский
Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. М.;
Энергоатомиздат? 1992. 544 с.
. Меньшов
Б.Г., Суд И.И., Яризов А.А. Электрооборудование нефтяной промышленности. М:
Недра 1990. 365 с.: ил.
. Теория
автоматического управления. / под, ред. А В. Нетушила, М.: Высшая школа 1967.
424 с.
. Колпаков
Л.Г. Центробежные насосы магистральных нефтепроводов. М.: Недра, 1985. 184 с.
9. Шабанов
В.А., Лопатин В.П. Курсовое проектирование по электрическим сетям и
электроснабжению. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 1997.
10. Фёдоров
А.А., Каменева В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий: Учебник
для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1979. - 408 с., ил.
11. Буренина И.В. Учебно-методическое пособие к составлению
экономической части дипломного проектирования для студентов специальностей
21.02.00, 18.04.00.