Автоматизированный электропривод

Дипломный проект содержит 153 страниц; 47 рисунков; 9 таблиц;

6 листов графической части;

В дипломном проекте  разработана система автоматизации насосной установки станции подкачки воды многофункционального комплекса.

Задача данной системы  управления – поддержание постоянного заданного напора в водопроводной магистрали многофункционального комплекса, обеспечение отработки суточной диаграммы напоров, обеспечение энергосберегающего управления напором, обеспечение защиты от превышения и занижения давления в водопроводной сети.

В соответствии с исходными  данными произведен выбор двигателя  и преобразовательного устройства, расчитана система электроснабжения насосной станции, разработана структурная схема системы управления, определены параметры динамических звеньев. Синтезирован ПИД-регулятор напора. Исследование динамических режимов системы управления выполнено с помощью моделирования на ЭВМ. Проведен экономический анализ эфективности внедрения частотного привода насосной установки и разработаны мероприятия по обеспечению условий труда на насосной станции.

ЭЛЕКТРОПРИВОД, насосная установка, АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, ЧАСТОТНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ, закон управления, регулятор давления, МОДЕЛИРОВАНИЕ, ПИД- РЕГУЛЯТОР, ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ, MATLAB, SIMULINK.

The graduation work contains 153 pages; 47 drawings; 9 tables;

6 pages of charts;

Pumping unit automation system of water supply into a housing estate was developed in this graduation work.

The task of  control system is to keep the set pressure steady in water main of  the housing estate, maintain stable pressure within 24 hours, maintain energy-saving pressure control, prevent from increased and  reduced pressure in water supply network

In accordance with the output data the motor and frequency transformer were chosen, power supply of pumping station was rated, structural scheme of control system was developed, parameters of dynamic links were determined.  PID-regulator of pressure was synthesized. The study of dynamic modes of control system was carried out by means of modeling in a computer. Efficiency analysis of implementation frequency regulation of pumping unit drive was carried out and measures to ensure safety labor conditions at a pumping station were elaborated.

ELECTRICAL DRIVE, PUMPING STATION, ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR, FREQUENCY ADJUSTMENT, CONTROL LAW, PRESSURE REGULATOR,   MODELING,  PID- REGULATOR, TRANSIENT  PROCESSES, MATLAB, SIMULINK.

Содержание

Введение 10

1. Технические требования к электроприводу насосной установки .13

2. Общие сведения о технологическом процессе и задаче автоматизации 
насосной установки 18

2.1. Назначение и виды насосных станций 18

2.2. Насосные установки 21

2.2. Регулирование режимов работы насосных установок 22

3. Аналитический обзор методов управления насосными установками 29

3.1. Регулировка подачи насосов 29

3.2. Выбор принятых показателей качества 35

3.2. Обоснование  выбора   системы регулирования привода  по  схеме   ПЧ-АД…………………………………………………………………….………..36

4. Определение основных элементов электропривода 43

4.1. Расчет    мощности    и    выбор    электродвигателя    насосной 
установки  43

4.2. Расчет и выбор преобразовательного устройства 47

4.3. Выбор датчика давления 52

4.4. Расчет  и выбор кабеля питания 54

4.5. Выбор аппаратов  защиты 56

5. Синтез системы управления 58

1. Разработка структурной схемы 58
2. Расчет параметров передаточной функции объекта управления….59
3. Синтез контура регулирования давления………………………….60

6. Математическое моделирование и исследование динамических режимов САК………………………………………………………………………………….…83
7. Спецвопрос…………………………………………………………………………..90
8. Техническая реализация системы автоматизации ……………………………….93
9. Технико-экономические расчеты ….………………………………………….103
10. Охрана труда при эксплуатации системы автоматизации насосной установки станции подкачки жилищного комплекса………………………. 119

Вывод……………….…………………………………………………………..149

Список используемых источников ………………………………………….....150

Введение

Около 60 % затрат электроэнергии в промышленности и коммунальном хозяйстве (ЖКХ) приходится на долю электродвигателей. При этом большая часть этого энергопотребления приходится на приводные системы вентиляторов, компрессоров, насосов и других установок с циклическим режимом нагрузки

Быстрый рост цен на энергоносители и ресурсы привел к тому, что  доля затрат на них в суммарных расходах на производство стала несоразмеримо большой. В результате перед многими промышленными предприятиями и предприятиями ЖКХ остро встала задача уменьшения энерго- и ресурсоемкости выпускаемой продукции и услуг, 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, является энергосиловой основой современного производства и в свою очередь, среди промышленных электроприводов преобладают электроприводы с асинхронными короткозамкнутыми двигателями, потребляющие до 50% энергии потребляемой электроприводом. Эти электроприводы благодаря своей простоте и относительно невысокой стоимости, нашли широкое применение в различных 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, канализационные насосные станции и системы отопления. Этот тип механизмов потребляет не менее 20-25% всей вырабатываемой электроэнергии.

Завышеный уровень потребления электроенергии является следствием низкого КПД насосных установок и систем водоснабжения в целом.

В подавляющем большинстве  случаев электроприводы указанных  механизмов являются нерегулируемыми, что не позволяет обеспечить режим  рационального энергопотребления  и расхода 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.

С внедрением в производство автоматической системы управления технологическими процессами качественно меняется форма и характер труда, повышается безопасность, квалификация и уровень знаний рабочих, стирается грань между физическим и умственным трудом.

Целью этого дипломного проекта является разработка электропривода центробежного насоса с использованием современной элементной базы, обеспечивающего выполнение следующих требований:

• экономия электроэнергии;
• возможность гибкой настройки привода при меняющихся режимах работы;

Для решения этой задачи требуется:

• ознакомится с процессом и технологией подачи воды;
• провести аналитический обзор технической литературы по данной проблематике;
• дать технико-экономическое обоснование выбранного принципа управления;
• осуществить выбор элементов электропривода, обеспечивающих работоспособность системы;
• разработать функциональные схемы системы автоматического управления;
• провести математическое описание объекта и системы управления;
• осуществить моделирование и исследование статики и динамики САУ на ЭВМ;

1. Технические требования к системе автоматИзации

Проектируемая установка  входит в состав насосной станции, которая  обеспечивает подачу холодной воды в  водопроводную сеть многофункционального комплекса.

Совместно с системой контроля и управления СУ, коммутационной аппаратурой, преобразователем частоты ПЧ, устройством плавного пуска УПП образуют станцию управления насосными агрегатами.

Применение регулируемого  асинхронного электропривода для управления насосными агрегатами позволяет  обеспечить:

• плавный пуск электродвигателя, отсутствие механических нагрузок на двигатель и бросков тока в сети;
• отсутствие гидравлических ударов;
• эффективное использование потребляемой насосным агрегатом мощности во всем диапазоне регулирования;
• обеспечение коэффициента мощности электродвигателя насоса на значении, близком к 1;
• снижение уровня шума при пуске и работе;
• обеспечение автономной и безопасной работы, интеграция в АСУ ТП.

Проектируемая насосная установка, должна обеспечивать следующие  технические характеристики:

• Номинальная подача воды 315 м³/ч;
• Максимальная высота напора 65 м.

Электропривод центробежного  насоса, который рассматривается, должен удовлетворять следующим требованиям:

• Поддержка постоянного напора в системе водоснабжения с точностью не ниже 1% и возможность, при необходимости, ручного регулирования его уровня;
• Исходя из технологического процесса, требования к восстановлению давления при наброске нагрузки составляет не больше 2 с;
• Обеспечение режима плавного пуска от задатчика интенсивности за время 1-5 с;
• Наличие защиты от неблагоприятных режимов работы насосной станции:

- защита от КЗ; 
- защита от перегрузки по току; 
- защита от превышения температуры обмотки двигателя; 
- защита от пропадания и перекоса фаз; 
- защита электронасосных агрегатов от работы в кавитационном режиме; 
- индикация на лицевой панели «Сеть» «Работа» «Авария»; 
- выбор режима работы «Ручной» / «Автоматический»; 
- диспетчеризация: «Авария» каждого электронасоса («сухие» контакты);

• Привод должен быть нереверсивным;
• Электропитание установки осуществляется от 3-х фазной сети  переменного тока 380/220 В, 50 Гц;
• Обеспечивать режим максимальной экономии при регулировании скорости.

Подход к проектированию системы управления насосной установки, силовой части и повода в целом, должен отвечать мировым тенденциям розвития электропривода.

Для реализации задачи управления насосной установки  электропривод  должен обеспечивать:

• автоматическое, ручное управление пуском и остановкой насосной установки;
• автоматическое изменение частоты вращения вала двигателя для поддержания постоянным давления в потребительской сети;
• экстренный останов насоса в случае поступления аварийного сигнала от датчика (при отклонении параметров от допустимых технологических пределов);
• защиту от аварийных режимов работы электродвигателя;
• включение резервного насоса в случае аварии; автоматическое чередование насосов;
• защита от «сухого» хода;
• самозапуск после перепада напряжения.

САУ насосной установки  должна обеспечить следующий показатель качества регулирования:

• статическая ошибка в установившихся режимах работы равна 0.

Характеристики переходных процессов должны удовлетворять  следующим требованиям:

• перерегулирование при пуске не более 5%;

• перерегулирование при набросе или сбросе нагрузки - не более 10%.

При проектировании САУ должны быть предусмотрены меры по обеспечению безопасности при монтаже, эксплуатации, обслуживанию и ремонту технических средств в соответствии с действующими на территории Российской Федерации нормативными документами:

"Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий";

"Правила устройства электроустановок";

"Пожарная автоматика зданий и сооружений";

"Система стандартов  безопасности труда (ССБТ). Оборудование производственное. Общие требования безопасности";

"ССБТ. Цвета сигнальные и знаки безопасности".

Все внешние элементы технических средств САУ, находящиеся под напряжением, должны иметь защиту от случайного прикосновения.

Должен быть ограничен доступ к  вращающимся частям насосной установки.

Электрические элементы должны иметь защитное зануление.

Должны быть приняты  меры по ограничению уровня производственного  шума, так как установка эксплуатируется  в зоне жилых застроек, а также  предусмотрены средства пожаротушения.

Требования к эргономике и технической эстетике обеспечиваются расположением насосной установки в хорошо освещенном, отапливаемом помещении, в месте удобном для ее обслуживания техническим персоналом, что позволит обеспечить быстроту, простоту экономичность технического обслуживания и ремонта в нормальных и аварийных условиях.

Конструкция и расположение щитов, пультов, должны обеспечить обозримость и простоту обслуживания.

Требования к эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту  компонентов системы

Насосная установка  должна размещаться в закрытом помещении, исключающем попадание атмосферных осадков и устанавливаться на специальный фундамент.

 На оборудовании  должны быть установлены таблички  и нанесены обозначения для  обеспечения быстроты монтажа  и ремонта.

Площадь помещения должна соответствовать требованиям предприятий-изготовителей по размещению и обслуживанию технических средств и санитарных норм.

При проектировании электроснабжения и систем искусственного освещения помещений для размещения технических средств необходимо выполнять требования "Правил устройств электроустановок".

Вывод.

В даном разделе дипломного проекта приведены основные требования к разрабатываемой системе автоматизации  насосной установки, которая обеспечивает подачу холодной воды в водопроводную  сеть жилищного комплекса. Согласно требований пункта, проектируемая насосная установка, должна обеспечивать заявленные технические характеристики при максимальном экономическом эфекте, соответствовать требованиям безопасности при монтаже, эксплуатации, обслуживанию и ремонту, отвечать современным требованиям к эргономике и технической эстетике.

2. Общие сведения о технологическом процессе и задаче автоматизации насосной установки

2.1. Назначение и виды насосных станций

Насосные станции (НС) представляют собой сложный электрогидравлический  технический комплекс сооружений и оборудования, в котором осуществляется преобразование электрической энергии в механическую энергию потока жидкости и управление этим процессом преобразования[1].

Насосные водопроводные  станции в зависимости от места, занимаемого в общей системе водоснабжения, подразделяют на станции 1-го, 2-го, 3-го и последующих подъемов и канализационные. Их назначение показано в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Назначение и виды насосных станций

Основным назначением НС является обеспечение:

требуемого графика  подачи жидкости для нормальных и  аварийных условий;

наименьших затрат на сооружение, оснащение и эксплуатацию;

требуемой степени надежности и, следовательно, определенной степени  бесперебойности работы;

долговечности, соответствующей  технологической значимости объектов, в состав которых они входят;

удобства эксплуатации (широкое применение автоматики и  телемеханики);

эксплуатации при непрерывно изменяющихся объемах, режимах потребления  жидкости и изменяющемся составе потребителей.

В зависимости от назначения можно выделить следующие виды НС: хозяйственно-питьевого водоснабжения  населенных пунктов и промышленных предприятий; оборотного водоснабжения  промышленных предприятий; канализационные; систем теплоснабжения; дренажные; противопожарного водоснабжения; мелиоративные; нефтеперекачивающие и др.

По способу объединения  насосов можно выделить НС с индивидуальной работой насосов и НС с совместной работой насосов. Первый случай характерен для НС с невысокими единичными мощностями насосов и низкими требованиями к надежности работы. Это характерно, например, для дренажных насосов. Совместно работающие насосы находят широкое применение на всех видах НС. При этом для обеспечения требуемых технологических показателей используется параллельное, последовательное и комбинированное соединение установок. Наиболее характерным является параллельное соединение насосов, применяемое на большинстве типов НС. Последовательное соединение применяется в тех случаях, когда необходимо создать достаточно высокое давление в системе, например, при транспортировке вязких растворов (нефть, ил и др.).

По главному регулируемому  параметру НС можно разделить  на станции с регулированием давления и станции с регулированием подачи.

Согласно требованиям к надежности обеспечения подачи транспортируемой жидкости к технологическому объекту НС могут быть отнесены к 1-й, 2-й или 3-й категории [2].

Среди рассмотренных  выше видов НС преимущественное использование  получили НС с параллельным соединением насосов, которые применяются в системах водоснабжения и водоотведения населенных пунктов, промышленных предприятий, системах оборотного водоснабжения технологических комплексов производственных объектов, в том числе на предприятиях цветной металлургии и нефтеперерабатывающих заводах.

Рис. 2.1 - Технологическая схема типовой насосной станции

На рис. 2.1 изображена технологическая схема типовой  НС. Жидкость поступает во входной  коллектор НС и аккумулируется в  резервуаре. Из входного резервуара она  откачивается насосами, подается в выходной коллектор НС и далее в магистральный трубопровод, откуда и распределяется по потребителям или поступает ко входу следующей НС. Для отделения насоса от трубопровода служат задвижки, размещенные на входном и напорном патрубках насоса. Кроме того, на выходном патрубке насоса установлен обратный клапан, предотвращающий обратный ток жидкости через насос. В качестве электроприводов насосов и задвижек применяются электродвигатели. В правой части рис. 2.1 размещена таблица, в которой для каждого из объектов НС приведен перечень контролируемых параметров. Данный перечень может изменяться в зависимости от назначения НС и мощности насосных установок.

2.2. Насосные установки

Основным энергетическим элементом НС является насосная установка, содержащая один или несколько насосов, всасывающую и нагнетательную систему трубопроводов, запорную арматуру, электропривод, а также датчики технологических параметров установки. В качестве основного силового оборудования на НС применяют объемные или динамические насосы.

Рис. 2.2 - Принципиальная схема центробежного насоса: 
1 - рабочая камера; 2 - рабочее колесо; 3 - направляющий аппарат; 4 - вал;  
5 - лопатка рабочего колеса; 6 - лопатка направляющего аппарата; 7 - нагнетательный патрубок; 8 - подшипник; 9 - корпус насоса (опорная стойка); 10 - гидравлическое торцовое уплотнение вала (сальник); 11 - всасывающий патрубок.

Объемные насосы работают по принципу вытеснения, когда давление перемещаемой жидкости повышается в  результате сжатия. К ним относятся возвратно-поступательные (диафрагменные, поршневые) и роторные (аксиально-поршневые и радиально-поршневые, шиберные, зубчатые, винтовые и т. п.) насосы.

Динамические насосы работают по принципу силового воздействия  на перемещаемую среду. К ним относятся лопастные (центробежные (рис.2.2), осевые) нагнетатели и нагнетатели трения (вихревые, дисковые, струйные и т. п.). Преимущественное использование получили насосы центробежного типа.

Основными характеристиками НС являются зависимости выходных подачи и давления жидкости от времени и входной подачи, а также от ряда возмущающих воздействий. Эти зависимости отражают изменение режима работы НС.

2.3. Регулирование режимов работы насосных установок

Для обеспечения заданного  режима работы НС при изменении условий работы требуется производить регулирование режимов работы насосных установок. Эта задача может быть разделена на два направления: регулирование гидравлических режимов работы насосов и регулирование энергетической эффективности работы электропривода НС.

Для насосных установок  центробежного типа применяют следующие  способы регулирования подачи жидкости и давления:

дросселированием трубопровода;

перепуском части потока жидкости из выходного патрубка насоса во входной;

отключением или подключением насосов (ступенчатое регулирование);

изменением частоты  вращения рабочего колеса насоса.

Дросселирование трубопровода является весьма распространенным способом регулирования давления и подачи жидкости. Регулирующим элементом в  этом случае является механическое устройство в виде шибера, дроссель-клапана, задвижки, диафрагмы и т. п., которое располагается на напорном патрубке насоса и за счет своего перемещения изменяет поперечное сечение трубопровода [1].

Несмотря на простоту реализации данного способа регулирования он имеет ряд недостатков. Одним из них является снижение КПД НС, особенно при глубоком регулировании подачи. Это обусловлено тем, что энергия, затраченная на преодоление дополнительного сопротивления регулирующего устройства, преобразуется в тепловые потери, что и определяет низкую энергетическую эффективность данного подхода. Помимо этого, рост давления на выходе насоса при закрытии задвижки приводит к сокращению срока службы уплотнений и запорных устройств, а также к увеличению утечек жидкости через стыки и щели. Другим недостатком этого способа является возможность однозонного регулирования в сторону уменьшения подачи или напора насосной установки.

Регулирование напора перепуском основано на отведении части потока жидкости с выхода насоса на его вход через отвод с задвижкой. При этом энергия, затрачиваемая на циркуляцию жидкости по холостому кругу, не создает полезной работы, что снижает КПД установки, особенно сильно при глубоком регулировании. Как и в предыдущем методе, подача НС регулируется только в сторону уменьшения.

Ступенчатое регулирование  подачи насосной станции осуществляется за счет подключения или отключения насоса или группы насосов. Данный способ характеризуется простотой управления, так как не требует дополнительных регулирующих устройств. Однако он не позволяет обеспечить непрерывное и качественное поддержание напора при изменении потребления жидкости и вызывает частые пуски двигателей, что уменьшает срок работы оборудования и требует строительства промежуточного аккумулирующего резервуара для сглаживания колебаний подачи НС. Кроме того, электроприводы работают не в оптимальном режиме, что также снижает КПД всей НС.

Указанные особенности  обусловливают сокращение НС, на которых  применяются рассмотренные выше способы регулирования.

Изменение частоты вращения рабочего колеса насосной установки  позволяет осуществить непрерывное  регулирование производительности НС с меньшими затратами энергии, чем в предыдущих вариантах [2]. Однако оно требует больших затрат на регулирующее оборудование, особенно для установок с мощностью выше средней, и приводит к ухудшению электромагнитной совместимости с питающей сетью. Тем не менее снижающаяся стоимость регулируемых электроприводов делает этот способ наиболее перспективным.

Возможно также сочетание нескольких способов регулирования. Одним из широко применяемых вариантов регулирования является сочетание ступенчатого регулирования с изменением частоты вращения рабочего колеса насосной установки, которое достигается с помощью частотно-регулируемого электропривода. Согласно рекомендациям [3], регулируемым электроприводом следует оборудовать один насосный агрегат в группе из 2–3 рабочих агрегатов.

Для регулирования энергетической эффективности оборудования НС должен быть выбран оптимальный по энергопотреблению режим работы насосов при их совместной работе. Один из путей решения этой задачи приведен в литературе [5–7].

2.3.1. Основные функции автоматической системы регулирования НС

Согласно требованиям  СНиП насосные станции всех назначений должны проектироваться, как правило, с управлением без постоянного обслуживающего персонала: автоматическим — в зависимости от технологических параметров (уровня воды в емкостях, давления или расхода воды в сети); дистанционным (телемеханическим) — из пункта управления; местным — периодически приходящим персоналом с передачей необходимых сигналов на пункт управления или на пункт с постоянным присутствием обслуживающего персонала.

Управление регулируемым электроприводом в основном следует  осуществлять автоматически в зависимости от давления в диктующих точках сети, расхода воды, подаваемой в сеть, уровня воды в резервуарах.

В НС следует предусматривать  измерение давления в напорных водоводах  и у каждого насосного агрегата, расходов воды на напорных водоводах, а также контроль уровня воды в дренажных приямках и вакуум-котле, температуры подшипников агрегатов (при необходимости), аварийного уровня затопления (появления воды в машинном зале на уровне фундаментов электроприводов). При мощности насосного агрегата 100 кВт и более необходимо предусматривать периодическое определение КПД с погрешностью не более 3%.

Рис. 2.3 - Структура насосной станции

При автоматическом или  дистанционном (телемеханическом) управлении должно предусматриваться также  местное управление.