XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Рассмотрим моделирование режимов работы электропривода насосной установки, которая находится на хвостах обогатительной фабрики оборотного водоснабжения. Для такой насосной установки был выбран центробежный насос 1Д1250-63-4 и к нему комплектный электродвигатель АИР355М4.

Таблица 1. Технические параметры насоса 1Д1250-63-4

В качестве электродвигателя насоса 1Д1250-63 выступает трехфазный асинхронный электродвигатель АИР355М4. Мощность электродвигателя АИР355М4 составляет 315 кВт, а частота вращения – 1500 об/мин. Двигатель АИР355М4 предназначен для работы в режиме S1 продолжительный режим работы, при котором нагрузка на электродвигатель неизменная длительное время. Степень защиты IP55 - повышенная защита. Если асинхронный двигатель, обеспечивающий работу насоса, работает напрямую от сети, то осуществление плавного пуска невозможно, большие пусковые токи приводят к перегрузкам, а это ведёт к его более быстрому износу. Кроме того, такие двигатели плохо регулируются просто понижением напряжения, при этом увеличивается скольжение, вследствие чего уменьшается КПД, растут потери в роторе и рассеивается энергия, в том числе на нагрев. Для такой системы необходимо более сложное регулирование. В зависимости от технических показателей в системе насосного агрегата производится управление скоростью вращения лопастей насоса или двигателя. В современных системах эти показатели регулируются с помощью преобразователей частоты.

Асинхронные двигатели наиболее удобны для эксплуатации, поэтому использование преобразователей частоты для них позволяет приблизить КПД электропривода к номинальному значению. Преимуществом асинхронных двигателей является наличие режима плавного пуска, что приводит к понижению уровня шума и в данном случае отсутствие гидравлических ударов. Использование описанного метода управления электроприводом и насосом имеет ряд преимуществ. У объектов с большей суточной нагрузкой наиболее высокие показатели энергоэффективности, а также экономии воды и даже тепла. Кроме того, проводить плановые ремонты необходимо реже и увеличивается ресурс оборудования.

Частотное регулирование скорости вращения асинхронного двигателя является наиболее удобным и экономически выгодным способом управления. Для этого используют преобразователи частоты, которые условно можно разделить на два типа: преобразователи частоты с непосредственной связью (НПЧ) и преобразователи частоты со звеном постоянного тока. Работа электропривода насосной системы через преобразователь значительно улучшает качество процессов за счёт регулировки частоты вращения. При управлении скорость вращения насоса с помощью частотно-регулируемого привода при уменьшении нагрузки снижается и расход, и давление жидкости. Это приводит к заметному снижению мощности двигателя, а, следовательно, к экономии электроэнергии.

Таким образом, использование частотных преобразователей для регулирования работы насосных систем приводит к значительной экономии электроэнергии (20-60%), воды (до 20%) и расходов на обслуживание электродвигателей и насосных агрегатов.

В соответствии с вышеизложенным примем схему преобразователя частоты со звеном постоянного тока. Моделирование проведем в пакете MatLab/Simulink/SimPowerSystems.

Рис. 1. Модель запуска асинхронного двигателя от преобразователя частоты со звеном постоянного тока

Как было указано выше, применяем схему преобразователя частоты со звеном постоянного тока. Трехфазное напряжение 380 В через регулируемый конвертер на тиристорах вначале преобразуется в постоянный ток, при этом можно выставлять различный угол зажигания тиристоров, что обеспечивает управление выпрямленным напряжением. Затем постоянное напряжение поступает на универсальный мост (Universal Bridge), где опять же с помощью тиристоров трансформируется в трехфазный переменный ток. Частота тока регулируется задатчиком (Pulse Control System) в виде задаваемой частоты в Гц. После чего выработанное напряжение подается уже на асинхронный двигатель. Отметим, что синхронная скорость вращения АД равна:

где f– частота питающей сети; 2p– число пар полюсов АД.

Таким образом, меняя частоту сети, мы можем менять скорость вращения АД. Кроме того, в небольших пределах возможно регулирование напряжением, однако следует учитывать появление при углах зажигания >0 бросков тока в момент переключения тиристоров. Ниже приведены осциллограммы различных режимов. Нижний график – питающее напряжение 380 В, верхний – напряжение на АД.

Рис. 2. Временные графики работы электропривода при различных частотах и величине питающего напряжения

Таким образом, в заключении отметим, что было произведено моделирование режимов работы системы электропривода насосной установки. Полученные результаты подтверждают целесообразность использования системы «преобразователь частоты со звеном постоянного тока – асинхронный двигатель» для электропривода насоса. Результаты моделирования показали хорошее быстродействие системы и небольшую относительную погрешность.

Список литературы:

1. Бебихов Ю.В., Семёнов А.С., Семёнова М.Н., Якушев И.А. Анализ методов моделирования технических систем в среде MATLAB // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2019. Т. 7. № 3. С. 12. https://doi.org/10.26102/2310-6018/2019.26.3.037

2. Семёнов А.С., Семёнова М.Н. Математическое моделирование систем электроснабжения в пакете программ MATLAB // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: материалы 13-й Всерос. науч.-техн. конф. – Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2019. – С. 412-415.

3. Кугушева Н.Н., Семёнов А.С., Якушев И.А. Математическое моделирование сложных электрических цепей в среде MATLAB // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: материалы 13-й Всерос. науч.-техн. конф. – Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2019. – С. 409-411.

4. Бебихов Ю.В., Семёнов А.С., Семёнова М.Н., Якушев И.А. Применение математического моделирования для решения линейных алгебраических и обыкновенных дифференциальных уравнений // Современная наука: Актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. 2019. № 4. С. 29-36.

5. Бебихов Ю.В., Семёнов А.С., Якушев И.А. Математическое моделирование электрических цепей в пакете программ MatLab // Наука и инновационные разработки – Северу: II Международная научно-практическая конференция, посвященная 25-летию МПТИ (ф) СВФУ: сборник материалов конференции в 2-х частях / Общ. ред. Зырянов И.В., Соловьев Е.Э., Егорова А.А. – Мирный: Издательство «Мирнинская городская типография», 2019. – ч. 1. – С. 113-116.

6. Бебихов Ю.В., Кугушева Н.Н., Семёнов А.С. Определение токов короткого замыкания в системе электроснабжения методом математического моделирования // Приборостроение и автоматизированный электропривод в топливно-энергетическом комплексе и жилищно-коммунальном хозяйстве: матер. IV Национальной науч.-практ. конф. в 2 т. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2019. – Т. 2. – С. 100-107.

7. Семёнов А.С., Егоров А.Н. Особенности математического моделирования систем электроприводов технологических установок горных предприятий // Каротажник. 2018. № 11 (293). С. 85-99.

8. Семёнов А.С., Якушев И.А., Егоров А.Н. Математическое моделирование технических систем в среде MatLab // Современные наукоемкие технологии. 2017. № 8. С. 56-64. https://doi.org/10.17513/snt.36780