автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование электротехнических комплексов с использованием динамических моделей центробежных насосов

На правах рукописи

ЛЫСЕНКО Олег Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Специальности: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы;

05.09.01 — Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 0 [.:;.[;

Омск-2012

005017382

На правах рукописи

ЛЫСЕНКО Олег Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Специальности: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы;

05.09.01 — Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск-2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

КУЗНЕЦОВ Евгений Михайлович, специальность 05.09.03

Научный консультант: кандидат технических наук

КОВАЛЕВ Александр Юрьевич, специальность 05.09.01

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Югорский государственный университет», завкафедрой «Энергетика» КОВАЛЕВ Владимир Захарович

кандидат технических наук, доцент, ФГБУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения», доцент кафедры «Электрические машины и общая электротехника» СЕРГЕЕВ Роман Владимирович

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный

университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»

Защита состоится 30 мая 2012 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета ДМ 212.178.03 в ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» по адресу: 644050, Омск, пр. Мира, 11, корпус 6, ауд. 340.

Тел./факс: (3812) 65-64-92, e-mail: dissov_omgtu@omgtu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет».

Автореферат разослан «¿<f » апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ДМ 212.178.03

Р. Н. Хамитов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Установки центробежных насосов (УЦН) электротехнических комплексов (ЭТК) станций перекачки жидкости, как правило, моделируются с помощью обобщенных интегральных характеристик, не позволяющих исследовать поведение ЭТК в динамических режимах работы. Эти режимы обусловлены широким применением в составе УЦН статических преобразователей частоты, а также непостоянным, непрерывно меняющимся водопо-треблением, имеющим место в современных системах водоснабжения. Исследования ЭТК, построенных с использованием динамических моделей центробежных насосов (ЦН), необходимы для реализации эффективного и энергосберегающего регулирования технологических параметров (напора и расхода) гидросети, в том числе и с помощью перспективного косвенного (бездатчико-вого) их определения. Станции перекачки жидкости, в силу технологических процессов обладают одним из самых высоких потенциалов применения энерго-и ресурсосберегающих технологий, что также указывает на актуальность темы диссертации.

Весомый вклад по тематике исследования данной работы в области моделирования электротехнических комплексов внесли такие ученые как: И. П. Копылов, Ю. 3. Ковалёв, В. Я. Беспалов, Ф. Н. Сарапулов и др.; в области моделирования центробежных насосов и лопастных машин: А. Н. Шерстюк, И. М. Вершинин, В. С. Костышин и др.; энергосберегающих технологий в электроприводе: Н. Я. Браславский, Б. С. Лезнов, Г. Г. Соколовский, Н. Ф. Ильинский, В. 3. Ковалёв, М. А. Мустафин, Б. ШавсЬке и др.

Объект исследования - электротехнические комплексы, имеющие в своём составе преобразователь частоты, асинхронный двигатель, центробежный насос.

Предмет исследования - динамические режимы работы электротехнических комплексов установок центробежных насосов.

Цель работы - разработка математических моделей электротехнических комплексов, учитывающих динамические свойства центробежных насосов, а также выявление на их основе оптимальных законов частотного регулирования.

Задачи работы:

1. Разработать модель центробежного насоса, для расчета динамических характеристик УЦН;

2. Разработать динамическую модель ЭТК УЦН с учетом системных связей его отдельных подсистем;

3. Выявить законы частотного управления УЦН, при которых достигается минимум потерь в силовом канале, а также разработать функциональные схемы регулирования и поддержания параметров гидросети на заданном уровне, реализующие эти законы управления, в том числе с помощью бездатчикового определения напора и расхода;

4. Исследовать на экспериментальном стенде статические и динамические характеристики установок центробежных насосов, а также проверить адекватность разработанных математических моделей.

Научная новизна представленной работы заключаются в следующем:

1.С использованием метода пространственного вектора разработана модель центробежного насоса, позволяющая рассчитывать переходные процессы.

2. Синтезирована динамическая модель ЭТК УЦН с учетом системных связей его отдельных частей.

3. Разработана методика построения регулировочных вольт-частотных характеристик при скалярном частотном управлении асинхронного электродвигателя, в зависимости от режимов работы внешней гидросети (статические и динамические гидравлические сопротивления).

Практическая значимость представленной работы заключаются в следующем:

1. Разработаны схемы стабилизации напора в диктующей точке путем скалярного и векторного регулирования скорости вращения асинхронного двигателя, реализующие режимы работы станций перекачки жидкости по функции минимума потерь в силовом канале.

2. Разработана методика настройки систем поддержания напора при скалярном и векторном управлении асинхронным двигателем, по принципам подчиненного регулирования.

3. Для исследования статических и динамических характеристик ЭТК УЦН построен программно-измерительный комплекс экспериментального стенда.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 4 свидетельства регистрации программ в ОФЭРНиО.

Методы решения поставленных задач. Решение поставленных задач потребовало привлечения соответствующих разделов теории электрических машин, автоматизированного частотного электропривода, теоретических основ электротехники - синтез электрических цепей, математики - операционного исчисления, теории численных методов решения нелинейных систем дифференциальных уравнений, гидравлики, теории центробежных лопастных машин, теории автоматического управления. Использовалось следующее прикладное программное обеспечение Mathematica, MathCad, Maple, MatLab/Simulink, LabView, Borland Delphi, ACDLab.

Достоверность результатов подтверждается корректным применением основных теоретических положений, используемых автором для доказательств научных результатов, сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, приведенными в технической литературе и полученными на экспериментальной установке, расхождением расчетных и экспериментальных данных, не превышающим 11%.

Апробация работы. Основные этапы диссертации докладывались на научных конференциях: Международной научно-технической конференции (НТК) «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2004, 2007, 2009); XI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2005); Всероссийской молодежной НТК «Россия молодая: передовые технологии в промышленность» (Омск, 2010, 2011); XII Международной студенческой школе-семинаре (Москва, 2004).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка из 110 наименований и двух приложений. Основная часть работы изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 82 рисунка и 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненной работы, сформулированы цели и задачи работы. Дана краткая аннотация содержания работы по главам. Определены цель работы и основные положения моделирования установок центробежных насосов в составе электротехнического комплекса. Сформулирована научная новизна основных результатов и практическая ценность исследований.

В первой главе рассматривается состав и структура УЦН. Установка центробежных насосов, как часть электротехнического комплекса станции перекачки жидкости, состоит из источника электрической энергии, преобразователя электрической энергии, электромеханического преобразователя, механизма передачи и преобразования движения, рабочего механизма и технологического объекта.

Исследованы процессы преобразования энергии в системе «преобразователь частоты - асинхронный двигатель - центробежный насос - гидравлическая магистраль» с регулируемым расходом жидкости. Определён характер взаимосвязей между подсистемами различной физической природы, входящими в структуру электротехнического комплекса и процессами распределения энергии внутри каждой подсистемы.

Проведен анализ современных подходов к моделированию отдельных составляющих УЦН, и установлена целесообразность разработки динамических моделей УЦН в целом.

Во второй главе разрабатывается математическая модель УЦН. При разработке УЦН используется подход, который базируется на совместном рассмотрении механических, гидравлических и электрических подсистем, из которых состоит комплекс в целом.

В качестве модели электрической подсистемы используется двухконтурная схема замещения асинхронного двигателя.

В основе методики построения математической модели центробежного насоса лежит подход, взятый за основу в работе В. С. Костышина, т.е. использо-

вание схем замещения, позволяющих записать уравнения для нахождения значений токов и напряжений в ветвях.

Рассматривая математические модели отдельных устройств, входящих в состав УЦН, определяя взаимосвязи между отдельными элементами, и используя уравнения связи между подсистемами создаётся общая система уравнений УЦН, соответствующая схеме приведенной на рисунке 1.

Электрическая подсистема

Механическая

Рис. I. Схема замещения УЦН

(Я, +/Г, ) + /„,/!,, =£7

1-І

А/еїЄ -*ХЛ„ел- + -■')) = 4

4-/.ШЛ -4=0

44-л-4=°

(1 -з){Іих^(1 - 5)- (1 - 5) - , (А'. ,.ч + /Л',,, > (1 - 5))) = о

(1 -*)(/. (лдо + ул'доО = о

(1 -5)(/д + (1 - 5)) + / :,/?„.„. + №я(Т - /4(Л«, + ул-^ді -5») = о

(1)

(2)

(3)

(4)

/,,/;р/;,,/„,.,,/п, - токи в соответствующих ветвях схемы замещения АД

~ ток аналог суммарного расхода; /,,«=&,„ - ток, аналог расхода ветви механических потерь; /„=&, - ток, аналог расхода идеального центробежного насоса (ИЦН); /(1 = - ток, аналог расхода ветви учитывающей потери в зависимости от количества лопастей; /4 = £>Л - ток, аналог расхода объемных потерь; /Л = ¿>л - ток, аналог действительного расхода насоса; /^Нгт - про-тивоЭДС, моделирующая статический напор в трубопроводе.

Для динамических режимов работы асинхронный двигатель представлен системой магнитосвязанных обмоток, расположенных на статоре и роторе. В качестве модели электрической подсистемы используются уравнения, полученные из рассмотрения обобщенного электромеханического преобразователя энергии. Для описания переходных процессов асинхронного двигателя были составлены уравнения электрического равновесия для напряжений контуров и уравнение равновесия моментов, действующих на ротор, а также использован метод пространственного вектора.

В свою очередь ЦН состоит из трех основных частей: подвода, рабочего колеса и отвода. Отвод и подвод выполняют роль аналога статора электрической машины, так как при преобразовании мощности относительно рабочего колеса машины, вращающегося в плоскости ш, являются неподвижными. Это позволяет применить для моделирования центробежного насоса и анализа динамических режимов его работы аппарат комплексной переменной, который основывается на Представлении гармонической функции Характеристик насоса в виде обобщенного комплексного вектора в полярной или декартовой системе координат. Совместная математическая модель УЦН в операторной форме может быть записана уравнениями (6)-(8).

'т а

т*г а

О = -*„«„/». +г?-(Г„р + І)!С/„.-^^Ч'»,,. +Ц. -Р»'".. V«,

Г« о-

М-М.

(6) (7)

(8)

ур

мя®„, = С?А

= «.А,?««, <

о, = ¡-гиРКЧЧ + +І-мРк~1т+^.1-„ик.,Ч„„

?и = ?«»,/

=?,.,„ + ?.,

4«, =Ч„

В выражениях (6)-(8) ¿7, = + =+ Лу > С7« = V,«,

(¿V = ("*■.„ + ~ напряжение, ток статора и потокосцепления ротора соответственно; й„ = /г,„, + /Л,„, И,т = Л™ + Лт,' 4.«,, = <?„„„, + 7<7„«„,, ?«, = <7.*, + ./<?*,» Я,=Ч„„-УІЧт, ч„=Чш+ІЧщ - напор холостого хода, статический

напор трубопровода, расход ветви механических потерь, расход ИЦН, расход ветви учитывающей потери в зависимости от количества лопастей, расход ветви объемных потерь, действительный расход насоса соответственно; <ит, <и„-частота вращения ротора, и частота вращения магнитного поля статора; М , Ма, J -момент на валу машины и момент нагрузки, общий момент инерции соответственно. Уравнению 8 соответствует структурная схема динамической модели ЦН, изображенная на рисунке 2. і

Рис. 2. Структурная схема модели ЦН

С целью проверки работоспособности представленных моделей (1-5, 6-8) выполнена серия вычислительных экспериментов для УЦН в диапазоне мощностей АД от 1,5 до 90 кВт.

Используя полученные модели, были построены:

- структурная схема косвенного (бездатчикового) определения скорости, а также электромагнитного момента и момента нагрузки по значениям составляющих тока и напряжения;

- схема косвенного определения действительного расхода и напора центробежного насоса.

В третьей главе решается задача построения энергоэффективных законов регулирования УЦН. Для этого исследуются регулировочные свойства электротехнических комплексов станций перекачкк жидкости. Для скалярного управления частотным регулирования АД определяются минимумы потерь с учетом всего диапазона режимов работы УЦН.

Таким образом, задача сводится к отысканию минимума функции потерь мощности двигателя, т.е AP(U,f,Rr,HcT)—>min.

В результате применения разработанной методики получено семейство характеристик, аппроксимированных до составных кривых, состоящих из квадратичной зависимости с некоторым коэффициентом и линейного участка прямой (рис. 3. и рис. 4.).

Для систем перекачки жидкости, в которых насос работает на сеть с противодавлением, предложено выражение для определения регулировочных вольт-частотных характеристик:

где и'=и/, относительное значение напряжения; кщ - коэффициент ап-

проксимированной вольт-частотной характеристики (рис. 5); а„г - показатель степени аппроксимированной вольт-частотной характеристики (рис. 6).

(9)

Рис. 3. Регулировочные характеристики а - точная, б - аппроксимированная

Рис. 4. Регулировочные характеристики при различных сопротивлениях напорной магистрали

Рис. 5. Зависимость коэффициента вольт-частотной характеристики

Рис. 6. Зависимость показателя степени вольт-частотной характеристики

Разработана система регулирования напора (рис. 7), достоинством которой является то, что сигнал обратной связи по напору снимается не в диктующей точке гидросети (А), а непосредственно в насосной станции. Система состоит из насосного агрегата, оснащенного регулируемым электроприводом, преобразователей давления и расхода, пропорционально-интегрального регулятора (ПИ) - РН (регулятор напора), пропорциональных регуляторов - РПН (регулятор потерь напора) и РЧН (регулятор частоты и напряжения), реализующий оптимальную регулировочную вольт-частотную характеристику (9).

Рис. 7. Функциональная схема стабилизации напора в диктующей точке водопроводной сети

с датчиками напора и расхода

управлении и определении момента и потокосцепления по модели двигателя

Разработана система стабилизации напора, в которой вместо датчиков давления и расхода (рис. 7), установленных на напорном патрубке центробежного

насоса, используются датчик скорости вращения и датчик крутящего момента асинхронного электродвигателя; сигналы этих датчиков позволяют определить напор и расход косвенным путем.

Разработана система стабилизации напора УЦН при векторном управлении и определении момента и потокосцепления по модели двигателя, что дает возможность улучшить быстродействие и качество регулирования технологических параметров по сравнению со скалярными системами. Питание двигателя (М) осуществляется от преобразователя частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока и инвертором, управляемым по замкнутому контуру разностным широтно-импульсным регулятором тока. Система регулирования реализована во вращающейся системе координат (рис. 8).

Разработана система регулирования напора УЦН при векторном управлении и косвенном определении напора, скорости вращении ротора и потокосцепления. Данная система стабилизирует напор без размещения датчиков напора и расхода на трубопроводе, скорости и момента на валу электродвигателя, что определяет ее преимущество перед другими подобными системами.

В четвертой главе решалась задача проведения экспериментальных исследований.

Для проведения различных экспериментов, в том числе исследования процессов, протекающих в гидравлических машинах электротехнических комплексов был разработан программно-измерительный комплекс лабораторного стенда, общий вид которого приведен на рисунке 9.

Стенд состоит из двух центробежных насосов марки К-8-18, работающих на общую гидравлическую систему, двух асинхронных двигателей (Ml и М2) марки АД80А2УЗ, преобразователя частоты YASKAWA Varispeed F7, датчика давления (ДД) BD Sensors DMP33I, ультразвукового расходомера (ДР) марки US-800, блока сбора данных (БСД), преобразующего аналоговые сигналы с датчиков в цифровые и передающего их на порт US В персонального компьютера (ПК).

С помощью экспериментальных данных полученных на стенде проводилась оценка адекватности разработанных моделей УЦН в статических и динамических режимах работы. Расчет динамических режимов работы УЦН проводился в среде Simulink, по уравнениям (6-8).

Рис. 9. Общий вид стенда для исследования статических и динамических х?арактеристик УЦН

Рис. 10. Структурная схема системы стабилизации напора в диктующей точке при скалярном управлении асинхронным двигателем

Разработана методика настройки контуров регулирования напора и скорости, а так же произведен расчет динамических характеристик в системе стабилизации напора при скалярном управлении асинхронным двигателем. Струк-

турная схема системы стабилизации напора в пакете БнпиНпк, приведена на рисунке 10.

Рис. 11. Структурная схема системы стабилизации напора в диктующей точке при векторном управлении асинхронным двигателем

Для получения динамических характеристик в системе стабилизации напора при векторном регулировании асинхронным двигателем разработана методика настройки электропривода по принципам подчиненного регулирования координат. Структурная схема системы стабилизации напора для расчета переходных процессов, приведена на рисунке 11. На рисунках 12-14 показаны переходные процессы в системе при пуске двигателя и увеличении гидравлического сопротивления нагрузки насоса.

Полученные кривые переходных процессов показывают полную работоспособность систем стабилизации напора при скалярном и векторном управлении.

Рис. 12. Переходные процессы при увеличении гидравлического сопротивления: а - напор в диктующей точке (м); б - гидравлическое сопротивление нагрузки ЦН (o.e.)

Рис. 13. Переходные процессы при увеличении гидравлического сопротивления: а - скорость вращения АД (рад/с); б - момент АД (Н м)

1

п

• гяязегзеяя ssassss

Рис. 14. Переходные процессы при увеличении гидравлического сопротивления: а - потокосцепление (o.e.); б - ток статора (А)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Построенная математическая модель центробежного насоса даёт возможность моделировать как статические, так и динамические режимы. Учет динамических режимов работы существенно расширяет возможности исследования и проектирования центробежных насосов в составе УЦН.

2. Разработана математическая динамическая модель ЭТК в целом, позволяющая исследовать переходные процессы УЦН, такие как пуск/останов двигателя, сброс/наброс гидравлической нагрузку. Определены коэффициенты разработанной математической модели комплекса, соответствующие реальной насосной установке.

3. По разработанным алгоритмам при скалярном управлении реализованы оптимальные по энергопотреблению режимы работы УЦН, что позволило уменьшить удельное энергопотребление УЦН от 0,7 до 27% в зависимости от суточного графика водопотребления. Для станций перекачки жидкости разработаны схемы стабилизации напора, в том числе с использованием косвенных способов определения координат (напора и расхода), с помощью скалярного и векторного регулирования скорости вращения асинхронного двигателя.

4. Построен программно-измерительный комплекс экспериментального стенда позволяющий исследовать статические и динамические характеристики ЭТК УЦН. Разработана методика настройки контуров регулирования и расчета динамических характеристик систем стабилизации напора со скалярным и векторным управлением частотой вращения асинхронного двигателя.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Лысенко О. А. Исследование динамических характеристик электромеханического комплекса: центробежный насос - асинхронный двигатель / О. А. Лысенко, А. С. Солодянкин // Омский научный вестник. - Омск, 2010. -№2(90).-С. 148-151.

2. Лысенко О. А. Режимы энергосбережения электромеханического комплекса: центробежный насос - асинхронный двигатель / О. А. Лысенко, А. И. Мирош-ник // Омский научный вестник. - Омск, 2011. - № 2(98). - С. 145-148.

3. Ковалёв Ю. 3. Моделирование электромеханической системы: центробежный насос - асинхронный двигатель / Ю. 3. Ковалёв, О. А. Лысенко // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии. - 2008. -N4(73).-С. 114-116.

4. Ряхина Е. Ю. Условия физической реализуемости математических моделей асинхронных двигателей / Е. Ю. Ряхина, Ю. 3. Ковалёв, О. А. Лысенко // Промышленная энергетика. М.: НПФ «Энергопрогресс», 2012. -№ 1. С. 47-50.

5. Лысенко О. А. Бездатчиковое определение напора и расхода в системе: центробежный насос - асинхронный двигатель // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность: матер. III Всерос. Молодежи. Науч.-техн. Конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. - Кн. 2. - С. 88-90.

6. Лысенко О. А. Динамическая модель электромеханического комплекса: центробежный насос - асинхронный двигатель / О. А. Лысенко, А. С. Солодянкин // Динамика систем, механизмов и машин: Матер. VII Междунар. науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009.-Кн. 1.-С. 195-198.

7. Лысенко О. А. Стенд для проверки адекватности математических моделей системы: «ПЧ-АД-ЦН» / О. А. Лысенко, А. Ю. Ковалёв // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность: матер. IV Всерос. Молодежи. Науч.-техн. Конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. - Кн. 2. - С. 101-103.

8. Ковалёв Ю. 3. Определение параметров динамической модели АД в неподвижной системе координат / Ю. 3. Ковалёв, О. А. Лысенко, П. В. Беляев // Свидетельство о регистрации электронного ресурса . - 2010. - № 16526 ОФЭР-НиО. - М.: ВНИТЦ №50201050300.

9. Беляев П. В. Влияние на переменные состояния питающей сети динамических режимов работы асинхронного двигателя и электрической печи сопротивления / П. В. Беляев, О. А. Лысенко // Свидетельство о регистрации электронного ресурса . - 2011. - № 16607 ОФЭРНиО. - М.: ВНИТЦ №50201150063.

10. Беляев П. В. Исследование влияния работы сварочного агрегата на характеристики электроприёмников / П. В. Беляев, О. А. Лысенко // Свидетельст-

во о регистрации электронного ресурса . - 2011. - № 16609 ОФЭРНиО. - М.: ВНИТЦ №50201150061.

11. Беляев П. В. Исследование динамических характеристик АД при изменении параметров питающей сети / П. В. Беляев, О. А. Лысенко // Свидетельство о регистрации электронного ресурса . - 2011. - № 16608 ОФЭРНиО. - М.: ВНИТЦ №50201150062.

12. Беляев П. В. Комплекс для анализа параметров и условий АД / П. В. Беляев, О. А. Лысенко, Д. С. Садаев // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность: матер. IV Всерос. Молодежи. Науч.-техн. Конф. -Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. - Кн. 2. - С. 11-14.

13. Ковалёв Ю. 3. Моделирование электромеханических процессов системы: АД - ЦН / Ю. 3. Ковалёв, О. А. Лысенко // Динамика систем, механизмов и машин: Матер. VI Междунар. науч.- техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. -С. 156-159.

14. Сосницкий К. Е. Исследование методов интегрирования систем дифференциальных уравнений системы Мар1е 7.0 при решении модельных задач / К. Е. Сосницкий, Г. В. Мальгин, О. А. Лысенко // Динамика систем, механизмов и машин: Матер. V Междунар. науч.- техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. - Кн. 1,- С. 214-216.

15. Сосницкий К. Е. Математическое моделирование асинхронного двигателя, работающего в составе станции перекачки жидкости / К. Е. Сосницкий, А. В. Березовский, О. А. Лысенко // XI Междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». -Томск: Изд-во Томского политехи, ун-та, 2005. - Т.1. - С. 276-277.

16. Сосницкий К. Е. Моделирование асинхронного электропривода в фазной системе координат с использованием математических пакетов МаЛетаНса, Мар1е / К. Е. Сосницкий, А. В. Березовский, О. А. Лысенко // Новые информационные технологии: Тез. докл. XII междунар. студенческой школы-семинара-М.: МГИЭМ, 2004. - С. 163-164.

Печатается в авторской редакции Компьютерная верстка - О.Г. Белименко

Подписано в печать 25.04.12. Формат 60x84 '/,6. Бумага офсетная.

Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,25.

Тираж 100 экз. Заказ 340.

Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр. Мира, 11; т. 23-02-12 Типография ОмГТУ

61 12-5/3732

На правах рукописи ФГБОУ ВПО Омский государственный технический университет ЛЫСЕНКО Олег Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: кандидат технических наук, доцент КУЗНЕЦОВ Евгений Михайлович

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ: кандидат технических наук КОВАЛЕВ Александр Юрьевич

0мск-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................5

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МОДЕЛИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ И АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ................................................................................12

1.1 Введение.................................................................................................................12

1.2 Установки центробежных насосов в составе электротехнических комплексов ...........................................................................................................................................12

1.3 Энергетическая структурная модель установок центробежных насосов........23

1.4. Современные подходы к математическому моделированию установок центробежных насосов....................................................................................................29

1.5. Выводы..................................................................................................................32

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ В УСТАНОВКАХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ...........................34

2.1 Введение.................................................................................................................34

2.2 Динамическая математическая модель центробежного насоса........................35

2.3 Математические модели асинхронных двигателей...........................................51

2.4 Математические модели установок центробежных насосов............................60

2.5. Косвенное определение напора и расхода в установках центробежных насосов..............................................................................................................................67

2.6. Выводы..................................................................................................................72

ГЛАВА 3. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В УСТАНОВКАХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ

НАСОСОВ........................................................................................................................73

3.1 Введение.................................................................................................................73

3.2 Режимы энергосбережения установок центробежных насосов........................74

3.3 Системы стабилизации напора при скалярном управлении асинхронным двигателем........................................................................................................................87

3.4 Системы стабилизации напора при векторном управлении асинхронным двигателем........................................................................................................................93

3.5. Выводы................................................................................................................105

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УСТАНОВОК ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ......................................................................................................................106

4 Л Введение...............................................................................................................106

4.2 Стенд для исследования статических и динамических характеристик установок центробежных насосов...............................................................................107

4.3 Тестирование системы регулирования напора при скалярном частотном управлении.....................................................................................................................123

4.4 Тестирование системы регулирования напора при векторном частотном управлении.....................................................................................................................130

4.5. Выводы................................................................................................................138

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................140

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..........................................................................142

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Оценка адекватности разработанной математической модели

УЦН в динамике............................................................................................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акты внедрения............................................................................157

ВВЕДЕНИЕ

Возрастающие технологические требования к качеству производственных процессов, связанных с перекачкой невязких жидкостей, указывают на необходимость улучшения режимов работы установок перекачки жидкости с центробежными насосами, в том числе и с помощью математического моделирования.

Установки центробежных насосов (УЦН) как правило, моделируются с помощью обобщенных интегральных характеристик не позволяющих исследовать поведение системы в динамических режимах работы. В то время как, именно рассмотрение динамических моделей УЦН входящих в состав электротехнических комплексов (ЭТК) позволяет реализовать наиболее эффективные режимы работы, как с точки зрения энергосбережения, так и надежности. Возрастающая вычислительная мощность систем управления ЭТК УЦН позволяет с помощью динамических моделей поддерживать требуемые технологические параметры, в том числе и с помощью косвенного (бездатчикового) их определения.

Действующее различие между относительно высоким уровнем математических компьютерно - ориентированных моделей отдельных элементов УЦН, являющейся частью электротехнического комплекса, и недостаточным других, учитывающих особенности энергосберегающих установок перекачки жидкостей, указывает на актуальность данной работы.

Станции перекачки жидкости, в силу технологических процессов обладают одним из самых высоких потенциалов применения энерго- и ресурсосберегающих технологий, что согласно Указу президента от 4 июня 2008 года № 889, Федеральному Закону №261, и Энергетической стратегии России на период до 2030 года представляет одно из направлений развития страны и несомненно, выявляет актуальность данной темы.

Весомый вклад по тематике исследования данной работы в области моделирования электротехнических комплексов внесли такие ученые как: И. П. Копылов, Ю. 3. Ковалёв, В. Я. Беспалов, Ф. Н. Сарапулов и др.; в области

5

моделирования центробежных насосов и лопастных машин: А. Н. Шерстюк, И. М. Вершинин, В. С. Костышин и др.; энергосберегающих технологий в электроприводе: Н. Я. Браславский, Б. С. Лезнов, Г. Г. Соколовский, Н. Ф. Ильинский, В. 3. Ковалёв, М. А. Мустафин, Б. В^сЬке и др.

Объект исследования - электротехнические комплексы, имеющие в своём составе преобразователь частоты, асинхронный двигатель, центробежный насос.

Предмет исследования - динамические режимы работы электротехнических комплексов установок центробежных насосов.

Цель работы - разработка математических моделей электротехнических комплексов, учитывающих динамические свойства центробежных насосов, а также выявление на их основе оптимальных законов частотного регулирования.

Задачи работы:

1. Разработать модель центробежного насоса, для расчета динамических характеристик УЦН;

2. Разработать динамическую модель ЭТК УЦН с учетом системных связей его отдельных подсистем;

3. Выявить законы частотного регулирования УЦН, при которых достигается минимум потерь в силовом канале, а также разработать функциональные схемы стабилизации напора при скалярном и векторном частотном управлении, реализующие эти законы.

4. Исследовать на экспериментальном стенде статические и динамические характеристики установок центробежных насосов, а также проверить адекватность разработанных математических моделей.

Научная новизна представленной работы заключаются в следующем:

1. С использованием метода пространственного вектора разработана модель центробежного насоса, позволяющая рассчитывать переходные процессы.

2. Синтезирована динамическая модель ЭТК УЦН с учетом системных связей его отдельных частей.

3. Разработана методика построения регулировочных вольт-частотных характеристик при скалярном частотном управлении асинхронного

электродвигателя, в зависимости от режимов работы внешней гидросети (статические и динамические гидравлические сопротивления).

Практическая значимость представленной работы заключаются в следующем:

1. Разработаны схемы стабилизации напора в диктующей точке путем скалярного и векторного регулирования скорости вращения асинхронного двигателя, реализующие режимы работы станций перекачки жидкости по функции минимума потерь в силовом канале.

2. Разработана методика настройки систем поддержания напора при скалярном и векторном управлении асинхронным двигателем, по принципам подчиненного регулирования.

3. Для исследования статических и динамических характеристик ЭТК УЦН построен программно-измерительный комплекс экспериментального стенда.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 4 свидетельства регистрации программ в ОФЭРНиО.

Апробация работы. Основные этапы диссертации докладывались на научных конференциях: Международной научно-технической конференции (НТК) «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2004, 2007, 2009); XI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2005); Всероссийской молодежной НТК «Россия молодая: передовые технологии в промышленность» (Омск, 2010, 2011); XII Международной студенческой школе-семинаре (Москва, 2004).

Содержание диссертационной работы излагается в четырех главах.

В первой главе рассматривается состав и структура УЦН. Установка центробежных насосов, как часть электротехнического комплекса станции перекачки жидкости, состоит из источника электрической энергии, преобразователя электрической энергии, электромеханического преобразователя, механизма передачи и преобразования движения, рабочего механизма и технологического объекта.

Исследованы процессы преобразования энергии в системе «преобразователь частоты - асинхронный двигатель - центробежный насос - гидравлическая магистраль» с регулируемым расходом жидкости. Определён характер взаимосвязей между подсистемами различной физической природы входящими в структуру электротехнического комплекса и процессами распределения энергии внутри каждой подсистемы.

Проведен анализ современных подходов к моделированию отдельных составляющих УЦН, и установлена целесообразность разработки динамических моделей УЦН в целом.

Во второй главе разрабатывается математическая модель УЦН. Для этого рассматриваются математические модели асинхронного двигателя (АД) и центробежного насоса (ЦН) как отдельных элементов УЦН.

При моделировании УЦН в статических режимах работы используется подход, который базируется на совместном рассмотрении механических, гидравлических и электрических подсистем, из которых состоит комплекс в целом.

В качестве модели электрической подсистемы используется двухконтурная схема замещения асинхронного двигателя.

В основе методики построения математической модели центробежного насоса лежит подход, взятый за основу в работе В. С. Костышина, т.е. использование схем замещения, позволяющих записать уравнения для нахождения значений токов и напряжений в ветвях.

Для динамических режимов работы асинхронный двигатель представлен системой магнитосвязанных обмоток, расположенных на статоре и роторе. В качестве модели электрической подсистемы используются уравнения, полученные из рассмотрения обобщенной модели асинхронной машины. Для описания переходных процессов асинхронного двигателя были составлены уравнения электрического равновесия для напряжений контуров и уравнение равновесия моментов, действующих на ротор, а также использован метод пространственного вектора.

В свою очередь ЦН состоит из трех основных частей: подвода, рабочего колеса и отвода. Отвод и подвод выполняют роль аналога статора электрической машины, так как при преобразовании мощности относительно рабочего колеса машины, вращающегося в плоскости со, являются неподвижными. Такие аналогии дают возможность применить для моделирования центробежного насоса и анализа режимов его работы аппарат комплексной переменной, который основывается на представлении гармонической функции характеристик насоса в виде обобщенного комплексного вектора в полярной или декартовой системе координат. Записана совместная математическая модель УЦН.

С целью проверки работоспособности представленных моделей выполнена серия вычислительных экспериментов для УЦН в диапазоне мощностей АД от 1,5 до 90 кВт.

Используя полученные модели, были построены:

- структурная схема косвенного (бездатчикового) определения скорости, а также электромагнитного момента и момента нагрузки по значениям составляющих тока и напряжения;

- схема косвенного определения действительного расхода и напора центробежного насоса.

В третьей главе решается задача построения энергоэффективных законов регулирования УЦН. Для этого исследуются регулировочные свойства электротехнических комплексов станций перекачки жидкости. Для скалярного управления частотным регулирования АД определяются минимумы потерь с учетом всего диапазона режимов работы УЦН. Таким образом, задача сводится к отысканию минимума функции потерь мощности двигателя, т.е ДР(и/Дг,Нсх)—>гшп.

В результате применения методики оптимизации потерь, получена семейство характеристик аппроксимированных до составных кривых, состоящих из квадратичной зависимости с некоторым коэффициентом и линейного участка прямой.

Для систем перекачки жидкости, в которых насос работает на сеть с противодавлением предложено выражение для определения регулировочных вольт-ч характеристик.

Разработана система регулирования напора, где сигнал обратной связи по напору снимается не в диктующей точке, а непосредственно в насосной станции. Система состоит из насосного агрегата, оснащенного регулируемым электроприводом, преобразователей давления и расхода, пропорционально-интегрального регулятора (ПИ) - РН (регулятор напора), пропорциональных регуляторов - РПН (регулятор потерь напора) и РЧН (регулятор частоты и напряжения).

Альтернативой вышеописанной схеме является система стабилизации напора, в которой вместо датчиков давления и расхода, установленных на напорном патрубке центробежного насоса, используются датчик скорости вращения и датчик крутящего момента.

Разработана система стабилизации напора УЦН при векторном управлении и определении момента и потокосцепления по модели двигателя. Питание двигателя (М) осуществляется от преобразователя частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока и инвертором управляемым широтно-импульсным регулятором. Система регулирования реализована во вращающейся системе координат.

Разработана система регулирования напора УЦН при векторном управлении и косвенном определении напора, скорости вращении ротора и потокосцепления. Данная система стабилизирует напор в заданной точке без датчиков напора, расхода, скорости и момента, а использует соответствующие величины, полученные косвенным путём.

В четвертой главе решалась задача проведения экспериментальных исследований.

Для проведения различных экспериментов, в том числе исследования процессов, протекающих в гидравлических машинах электротехнических комплексов был разработан программно-измерительный комплекс лабораторного стенда.

Стенд состоит из двух центробежных насосов марки К-8-18, работающих на общую гидравлическую систему, двух асинхронных двигателей (Ml и М2) марки АД80А2УЗ, преобразователя частоты YASKAWA Varispeed F7, датчика давления (ДД) BD Sensors DMP331, ультразвукового расходомера (ДР) марки US-800, блока сбора данных (БСД), преобразующего аналоговые сигналы с датчиков в цифровые и передающего их на порт USB персонального компьютера (ПК).

С помощью экспериментальных данных полученных на стенде проводилась оценка адекватности разработанных моделей УЦН в статических и динамических режимах работы. Расчет динамических режимов работы УЦН проводился в среде Simulink методом ode23s.

Разработана методика настройки контуров регулирования напора, и скорости а так же произведен расчет динамических характеристик в системе стабилизации напора при скалярном управлении асинхронным двигателем.

Для получения динамических характеристик в системе стабилизации напора при векторном регулировании асинхронным двигателем разработана методика настройки контуров регулирования.

Полученные кривые переходных процессов показывают полную работоспособность систем стабилизации напора при скалярном и векторном управлении.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МОДЕЛИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ И АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1 Введение

Моделирование установок центробежных насосов относится к одному из перспективных направлений развития теории электротехнических комплексов, от которой зависит уровень исследования современного электротехнического оборудования и режимов его работы, а также развития методов проектирования, разработки и диагностирования.

Задачами данной главы является: выявление структуры электротехнического комплекса установок центробежных насо