2.2. Выбор рациональной системы электропривода.

Для привода предварительно была выбрана система: преобразователь частоты – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

На основании сформированных требований к электроприводу и системе автоматизации можно предположить, что использование в установке двигателя постоянного тока с тиристорным выпрямителем не имеет смысла, т.к. по сравнению с асинхронным двигателем с КЗР и ПЧ ДПТ имеет следующие недостатки:

• наличие щеточного контакта понижает надежность и неприхотливость двигателя;

• высокая стоимость ДПТ, по сравнению с АД КЗР;

• на щеточных контактах отрицательно сказывается высокая влажность окружающей среды, следовательно, для использования в насосной потребуется специальный, герметизированный ДПТ, что еще более поднимет его сложность и стоимость.

Достоинства ДПТ перед АД такие как простота и точность регулирования скорости в широком диапазоне, хорошие статические характеристики в данном случае, при использовании в качестве привода установки, не имеют решающего значения, т.к. особая точность отработки заданной скорости и ее стабилизации не нужна, тем более не нужен широкий диапазон регулирования скорости (вполне достаточно иметь диапазон регулирования скорости D = 3…5). Тем более что использование системы ПЧ-АД дает результаты не намного худшие, чем использование системы УВ-ДПТ или ШИП-ДПТ, а преобразователь частоты стоит не намного больше, чем управляемый выпрямитель или широтно-импульсный преобразователь, которые все чаще применяются для управления приводами постоянного тока.

Системы электропривода с синхронными двигателями также как и системы АД ФР вполне пригодны для установки, но их использование обойдется дороже из-за дороговизны двигателя.

Таким образом можно выделить следующие существенные преимущества системы ПЧ-АД КЗР перед другими системами электропривода при использовании его в насосной установке:

• простота и надежность двигателя;

• отсутствие контактных соединений (щеток) в двигателе;

• низкая стоимость двигателя;

• достаточное качество регулирования скорости;

• экономичность.

Недостаток системы ПЧ-АД КЗР один – пока что достаточно высокая стоимость преобразователя частоты.

Исходя из вышеперечисленных соображений, целесообразно использовать в качестве приводного двигателя насосов отопления асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, а питание двигателя осуществлять от преобразователя частоты со скалярным управлением.

2.3. Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода.

Проектируемый автоматизированный электропривод насоса имеет датчик напора, регулятор давления, на вход которого подается разность сигнала задания и обратной связи по измеренному значению напора. В схему также введем обратную связь по току двигателя для компенсации падения напряжения на активном сопротивлении статора. Данный сигнал обратной связи вычитается из заданного значения ЭДС статора и поступает на блок регулятора напряжения. Поддержание напора в заданных пределах осуществляется изменением скорости вращения двигателя с помощью регулятора частоты. В блоке управления силовыми ключами обрабатываются сигналы с регуляторов частоты и напряжения, на основании которых вырабатываются управляющие импульсы, поступающие на транзисторы ПЧИН.

Полученная функциональная схема представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Функциональная схема электропривода насоса

На рисунке 2.1 обозначено: ЗН – задатчик напора; Н_з – напряжение сигнала задания напора; Н_ос – напряжение сигнала обратной связи по измеренному напору; РД – регулятор давления; ФП – функциональный преобразователь ЭДС; РЧ – регулятор частоты; РН – регулятор напряжения; М – двигатель; Ф – фильтр; L – индуктивность фильтра; С₁ – конденсатор фильтра; Н – насос; ПЧ – преобразователь частоты; ДТ1–ДТ3 – датчики тока; ДН – датчик напора; R₁– активное сопротивление статора; E_з – заданное значение ЭДС статора; I₁ – ток статора; f – частота; K_дн – коэффициент обратной связи по напору; U – напряжение; ПУ-пульт управления.

3. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

3.1. Анализ кинематической схемы механизма и определение ее параметров. Составление математической модели механической части электропривода и определение ее параметров.

Механическая часть электропривода представляет собой, как правило, сложную электромеханическую систему, состоящую из инерционных тел – роторов (якорей) электродвигателей вращательного движения, бегунов линейных двигателей, соединительных муфт, редукторов, различного рода шкивов, звездочек, барабанов, ходовых колес, подъемных сосудов, шпинделей, валков и т. п., связанных между собой упругими звеньями – канатами, цепями, ремнями, валопроводами и т. п.; при этом различные связанные между собой части электропривода могут совершать движения с разными параметрами (с различными скоростями) либо движения различного вида, как, например, в подъемных установках с вращательным электродвигательным устройством исполнительный орган движется поступательно.

Для анализа механической части электропривода реальный механизм заменяют динамически эквивалентной, приведенной расчетной схемой, состоящей из дискретных (сосредоточенных) инерционных элементов, соединенных между собой упругими связями, и обладающей таким же энергетическим запасом, как и реальная система. Здесь под дискретным инерционным элементом понимается тело, обладающее свойствами инерции, податливостью которого можно пренебречь. Под упругой связью понимается упругое звено, массой которого можно пренебречь, т. е. имеются в виду так называемые невесомые упругие связи, характеризующиеся постоянным коэффициентом жесткости и линейной восстанавливающей силой. При деформации упругих звеньев имеет место рассеяние (диссипация) механической энергии, обусловленной силами внутреннего трения, называемыми диссипативными силами, которые пропорциональны разности скоростей перемещения соседних дискретных масс.

На рисунке 3.1 представлена кинематическая схема электропривода насоса.

Рисунок 3.1 – Схема кинематическая принципиальная

На рисунке 3.1 обозначены:

M_дв, ω_дв – момент и угловая скорость двигателя соответственно;

М_м, ω_м – момент и угловая скорость рабочего колеса соответственно

Как видно из рисунка 3.1, электродвигатель и рабочее колесо находятся на одной оси (передаточное число редуктора i=1), причем вал двигателя присоединяется к валу насоса с помощью упругой муфты, которую будем считать абсолютно жесткой.

Для анализа механической части ЭП заменим реальный механизм динамической эквивалентной, приведенной расчетной схемой, которая будет состоять из сосредоточенных инерционных элементов, соединенных между собой упругими связями. Расчетные параметры будем приводить к валу электродвигателя. Расчетная приведенная схема механической части ЭП насоса показана на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Расчетная приведенная схема механической части ЭП циркуляционного насоса

На рисунке 3.2 обозначены:

J_дв — момент инерции двигателя;

J_муф — момент инерции муфты;

J_ —суммарный момент инерции электропривода;

М_дв – электромагнитный момент двигателя;

М_с – статический момент двигателя.

Движение электропривода описывается уравнением:

, (3.1)

где М_дв — электромагнитный момент асинхронного двигателя, Нм;

М_с — статический момент насоса, Нм;

J_Σ— суммарный момент инерции электропривода, кгм².

Суммарный момент инерции электропривода определяется по формуле:

. (3.2)

Совместная работа насоса и магистрали в установившемся режиме работы определяется точкой пересечения ее напорной характеристики и характеристики магистрали (рисунок 1.2). Циркуляционные насосы регулируются изменением частоты враще­ния рабочих колес.

При регулировании производительности снижением скорости вращения характеристики турбомеханизма смещаются вниз, а положение характеристики сети остается неизменным.

Характеристика сети показывает, какой напор должен быть создан турбомеханизмом для перемещения по ней определенного количества жидкости. Этот напор состоит полностью из динамического напора, необходимого для преодоления гидродинамического сопротивления сети. Характеристика сети с постоянными параметрами имеет вид:

(3.3)

где - коэффициент сопротивления сети (), зависящий от протяжения сети, величины поперечного сечения каналов, вязкости жидкости, шероховатости стенок каналов, наличия местных сопротивлений (колен, обратных клапанов, задвижек и т.п.).

Напорная характеристика является функцией расхода (). С достаточной степенью точности в пределах рабочей зоны напорная характеристика турбомеханизма может быть представлена параболой:

, (3.4)

где - напор турбомеханизма при номинальной частоте вращения и нулевом расходе(), согласно рисунку 1.4 .

Коэффициент можно определить:

.

Рабочий режим турбомеханизма определяется характеристикой механизма (формула 3.4) и характеристикой сети (формула 3.3). Решая совместно эти уравнения относительно , получим:

. (3.5)

Момент турбомеханизма при его работе на сеть можно определить по формуле:

, (3.6)

или после подстановки (3.5) в (3.6) получим:

. (3.7)

Насосы обычно пускают в ход при закрытой задвижке, или закрытом клапане, т.е. во время пуска . Зависимость момента от скорости при закрытой задвижке может быть представлена в виде:

, (3.8)

где - момент, обусловленный механическими сопротивлениями (трением в подшипниках, редукторе и т.д.).