Проект системы автоматизированного управления насосными агрегатами станции II подъема комплекса обезжелезивания и деманганации

дипломная работа

4.2 Разработка структурной схемы автоматического управления насосными агрегатами

Основным элементом водопроводного узла, обеспечивающим подачу воды в промышленные и жилые районы городов, является подсистема подкачки - группа центробежных насосов, приводимых в движение асинхронными трехфазными двигателями. Задачей подсистемы подкачки является подача в магистрали определенного объема воды с давлением, не ниже некоторого требуемого, обычно определяемого необходимым давлением в самой верхней точке магистрали. Достижение требуемых расхода и давления может осуществляться несколькими путями: изменением положения задвижек непосредственно на выходном трубопроводе насоса или изменением частоты вращения. В то время, как метод с использованием задвижек имеет низкий КПД и увеличивает износ запорного и насосного оборудования, метод с изменением частоты вращения лишен таких недостатков. Как правило, валы насосов связаны с роторами электродвигателей напрямую без понижающих или повышающих редукторов, что означает возможность изменения скоростей их вращения только лишь путем изменения скорости вращения ротора двигателя. И в этом случае применение асинхронных электродвигателей в качестве приводов дает преимущества в управлении и упрощает систему управления электронасосом.

Проанализируем подсистему подкачки и на её основе составим структурную схему автоматической системы управления. Питание электродвигателей осуществляется с локальной подстанции напряжением постоянной частоты и постоянной амплитуды, далее электродвигатели приводят в действие центробежные насосы таким образом, что те способны обеспечить максимальный требуемый напор и требуемый расход воды, причем последний является величиной переменной. В случае необходимости уменьшения подаваемых объемов воды используются задвижки на выходных водоводах. Для улучшения КПД подсистемы и уменьшения энергетических затрат следует отказаться от существующего способа поддержания гидравлических параметров и разработать систему, мощность которой будет изменяться динамически.

Анализируя существующую систему видим, что при постоянном напоре на выходе следует управлять лишь расходом воды, т.е. частотой вращения крыльчатки насоса и как следствие - частотой вращения ротора привода насоса. Составим структурную схему системы автоматического управления на основе сделанных выводов:

Рисунок 4.2- Схема структурная автоматического управления насосными агрегатами

Система в целом состоит из управляющего устройства(УУ), получающего уставку U и влияющего на скорость ротора асинхронного двигателя(АД) и как следствие - на крыльчатку центробежного насоса(ЦН). Объем воды, перекачанный насосом, проходит некоторый промежуток по магистрали(М), после чего его величина снимается датчиком и в качестве обратной связи поступает на элемент сравнения, формируя сигнал рассогласования. Также следует учесть момент сопротивления ротора двигателя, который будет возмущающим воздействием в системе управления. Кроме того, для предотвращения аварийной ситуации целесообразно получать сведения о скорости вращения ротора двигателя, точнее - о его заклинивании.

В качестве выходной величины системы принят расход воды. Выберем входной параметр, или иначе - параметр, который будет отвечать за изменение скорости вращения ротора двигателя.

Как известно, скорость вращения ротора асинхронного двигателя зависит от частоты питающего напряжения:

об/мин, (4.2)

где: f1 - частота питающего напряжения,

р - число полюсов,

s - скольжение.

Исходя из этого выражения, очевидно, что осуществлять управление скоростью ротора можно путем изменения частоты напряжения питания. Такое управление называется частотным и в последнее время получает широкое распространение. К тому же, широко выпускаются интеллектуальные частотные преобразователи, позволяющие не только изменять частоту напряжения, но также программировать в себя определенные законы управления, что может значительно упростить реализацию системы управления. Для выбора закона управления необходимо проанализировать передаточную функцию объекта относительно частоты питающего напряжения. Для этого определим передаточные функции каждого из звеньев.

Будем искать передаточную функцию асинхронного двигателя как отношение частоты вращения ротора к частоте питающего напряжения. В [6] предлагается эту передаточную функцию разбить на две составляющих - «момент/частота» и «частота/момент» для возможности учета момента сопротивления, действующего на вал двигателя. Тогда структурная схема при управлении частотой напряжения статора будет выглядеть так:

Рисунок 4.3 - Структурная схема асинхронного электродвигателя при управлении частотой питающего напряжения

По данной структурной схеме получим передаточную функцию по управляющему воздействию:

(4.3)

гдеТм- механическая постоянная времени двигателя,

Тэ - электромагнитная постоянная времени двигателя,

- относительное напряжение статора(к номинальному),

- относительная частота напряжения статора(к номинальной).

Данная передаточная функция справедлива для случая, когда потокосцепление статора есть величина постоянная, т.е. одновременно с изменением частоты питающего напряжения изменяется и его величина в соответствии с выражением: U1/щ1=const. Следует отметить, что в современных преобразователях частоты реализован механизм поддержания постоянного потокосцепления, поэтому передаточная функция (4.3) может быть использована для описания АД.

Определим передаточную функцию центробежного насоса и магистрали. Как правило, на практике насос и магистраль рассматривают как один объект, и с определенной долей точности аппроксимируют общую передаточную функцию в виде инерционного звена второго порядка с запаздыванием. Как правило, в разветвленной гидросистеме это колебательное звено, в одиночных трубопроводах - апериодическое. Для общего случая положим передаточную функцию равной:

. (4.4)

Т.к. колебательные процессы слабо выражены вследствие большой инерционности объекта, можно понизить порядок передаточной функции (4.4).

Получим:

. (4.5)

Параметры передаточной функции зависят от каждого конкретного случая, поэтому их получают методами идентификации.

На основании (4.3) и (4.5) запишем общую передаточную функцию объекта:

. (4.6)

Анализируя функцию (4.6) видно, что она имеет четвертый порядок. Это означает, что регулятор должен иметь возможность отслеживать ошибку по ускорению, что не представляется возможным во встроенных в частотный преобразователь ПИД-законах управления. Кроме того, использование даже дифференциальной составляющей в трубопроводной системе может сильно ухудшить устойчивость из-за отработки кратковременных возмущений, связанных с отражением воды от стенок труб, изменением потребления на конечной точке и т.п. Таким образом, целесообразно использовать ПИ-регулятор с точки зрения обеспечения максимальной устойчивости, но в этом случае ухудшится время регулирования, но в данной системе оно не является критичным.

Передаточная функция ПИ-регулятора:

, (4.7)

Точный теоретический расчет параметров регулятора, при которых будет выполняться условие устойчивости и требования к заданным показателям качества, выполнить практически невозможно из-за специфики объекта. Тем не менее, существуют методики расчета приблизительных параметров регулятора для передаточных функций объектов до третьей степени. В случае с четвертым порядком функции (4) целесообразно поступить следующим образом: понизить порядок знаменателя, удалив слагаемое с наименьшей постоянной времени.

Допустим, что после выполнения этой процедуры передаточная функция приняла вид:

. (4.8)

Проведем расчет параметров структурной схемы САУ НА

Двигатель можно разделить на две части. Механическую и электрическую. Передаточная функция механической и электрической части имеет вид :

. (4.9)

, (4.10)

где: в - модуль жесткости линеаризованной механической характеристики асинхронного двигателя,

Тэ - эквивалентная электромагнитная постоянная времени цепей статора и ротора асинхронного двигателя,

Tм - механическая постоянная времени.

Модуль жесткости в линеаризованной механической характеристики, можно рассчитать, как:

, (4.11)

где: Мк - момент критический,

- угловая скорость асинхронного двигателя;

sк - скольжение критическое, его значение можно определить, как:

. (4.12)

Здесь, sн - номинальное скольжение асинхронного двигателя. Его можно определить, из следующей формулы:

, (4.13)

Делись добром ;)