39859

Система автоматизации насосной установки станции подкачки воды жилищного комплекса

Дипломная

Производство и промышленные технологии

Задача данной системы управления – поддержание постоянного заданного напора в водопроводной магистрали жилищного комплекса обеспечение отработки суточной диаграммы напоров обеспечение энергосберегающего управления напором обеспечение защиты от превышения и занижения давления в водопроводной сети. ЭЛЕКТРОПРИВОД насосная установка АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ЧАСТОТНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ закон управления регулятор давления МОДЕЛИРОВАНИЕ ПИД РЕГУЛЯТОР ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ MATLAB SIMULINK. Выбор датчика давления 52 4.59 Синтез контура...

Русский

2013-10-10

2.99 MB

408 чел.

Реферат

Дипломный проект содержит _153__страниц; _47_рисунков; __9 таблиц;

_6__листов графической части;

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

Задача данной системы управления – поддержание постоянного заданного напора в водопроводной магистрали жилищного 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.


Реферат

Дипломний проект містить _153_сторінок; _47__малюнків; _9_ таблиць;

_6__аркушів графічної частини;

У дипломному проекті розроблена система автоматизації насосної установки станції підкачування води житлового комплексу.

Завдання даної системи керування – підтримка постійного заданого напору у водопровідній магістралі житлового комплексу, забезпечення відпрацьовування добової діаграми напорів, забезпечення енергозберігаючого керування напором, забезпечення захисту від перевищення й заниження тиску у водогінній мережі.

Відповідно до вихідних даних зроблений вибір двигуна й частотного перетворювача, розрахована система електропостачання насосної станції, розроблена структурна схема системи керування, визначені параметри динамічних ланок. Синтезований ПІД-регулятор напору. Дослідження динамічних режимів системи керування виконане за допомогою моделювання на ЕОМ. Проведений економічний аналіз эфективності впровадження частотного регулювання привода насосної установки й розроблені заходи щодо забезпечення умов праці на насосній станції.

ЕЛЕКТРОПРИВОД, НАСОСНА УСТАНОВКА, АСИНХРОННИЙ ЕЛЕКТРОДВИГУН, ЧАСТОТНЕ РЕГУЛЮВАННЯ, ЗАКОН КЕРУВАННЯ, РЕГУЛЯТОР ТИСКУ, МОДЕЛЮВАННЯ, ПИД- РЕГУЛЯТОР, ПЕРЕХІДНІ ПРОЦЕСИ, MATLAB, SIMULINK.

 


 THE Summary 

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

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

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

Разработка структурной схемы 58

Расчет параметров передаточной функции объекта управления….59

Синтез контура регулирования давления………………………….60

Математическое моделирование и исследование динамических режимов САК………………………………………………………………………………….…83

Спецвопрос…………………………………………………………………………..90

Техническая реализация системы автоматизации ……………………………….93

Технико-экономические расчеты ….………………………………………….103

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.

Рассматривая отрасль коммунального водоснабжения, можно отметить, что реально потребляемый уровень электроэнергии далек от достаточного. Рост цен на электроенергию заставляет задуматься о реально достаточном уровне потребления последней электродвигателями насосных установок.

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 жилищного 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 Украины нормативными документами:

анитарные 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

Объект

Задача

Насосная станция 1-го подъема

Управление глубинными насосами, расположенными в скважинах Поддержание заданного уровня воды в накопительном резервуаре Применяются в составе водоподъемных технологических сооружений совместно со станциями управления насосами 2-го и 3-го подъемов

Насосная станция 2-го подъема

Создание давления в водопроводной сети, с забором воды из аккумулирующей емкости Давление создается из расчета обеспечения застройки малой и средней этажности Поддержание постоянного значения давления согласно суточному или недельному графику

Насосная станция 3-го подъема и последующих подъемов

Создание и поддержание необходимого давления в трубопроводе с забором воды из станиии 2-го подъема для зданий средней и высокой этажности Поддержание постоянного значения давления или согласно суточному или недельному графику

Канализационная насосная станиня

В очистных сооружениях для перекачки дренажных вод, осушения подвалов жилых, производственных и прочих сооружений, котлованов и прочих емкостей во время строительных, спасательных и тому подобных работ

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.

В насосных станциях должна предусматриваться автоматизация следующих вспомогательных процессов: промывки вращающихся сеток по заданной программе, регулируемой по времени или перепаду уровней, откачки дренажных вод по уровням воды в приямке, электроотопления по температуре воздуха в помещении, а также вентиляции.

2.3.2. Структура автоматизированной НС

Упрощенная электрическая схема силовых цепей показана на рис.2.3а. Штриховой линией со звездочкой обозначена взаимная механическая блокировка контактных аппаратов, запрещающая одновременное подключение электродвигателя к сети и к преобразователю частоты. Взаимодействие блоков станции и гидравлической системы показано на рис.2.3б.

Упрощенная структурная схема автоматизированной НС с частотно-регулируемым электроприводом приведена на рис. 2.4.

Электроснабжение НС осуществляется от трансформаторной подстанции ТП. Электроэнергия поступает на распределительное устройство РУ, к которому подключено силовое электрооборудование. Здесь же размещены первичные аппараты для средств учета потребляемой электроэнергии.

Силовое электрооборудование размещено в электрощитовой НС. Оно содержит: силовые шкафы управления СШУ, преобразователь частоты ПЧ и, при необходимости, компенсатор реактивной мощности КРМ. Силовой шкаф управления содержит коммутационный аппарат, с помощью которого осуществляется коммутация питания электропривода М центробежного насоса Н либо к выходу ПЧ, либо к секции РУ.

Рис. 2.4 – Структурная схема автоматизированной насосной станции

В машзале НС размещено основное и вспомогательное оборудование НС. Основное оборудование включает насосы ЦН1–ЦН3, электроприводы М1–М3. В состав вспомогательного оборудования входят: дренажные, пожарные, вакуум-насосы; задвижки; вентиляторы; обогреватели и другое оборудование. Управление им производится при помощи исполнительных механизмов ИМ1–Имn.

Для получения информации о значениях регулируемых параметров служат датчики Д1–Дm.

Сигналы управления и измерительные сигналы от оборудования НС собираются в шкафу управления ШУ. Здесь же происходит их объединение в одну общую информационную линию связи, которая подключается к технологическому контроллеру ТК.

Технологический контроллер реализует общий алгоритм управления НС и обмен информацией с автоматизированной системой управления технологическим комплексом АСУ ТК. Программное обеспечение ТК содержит ряд функциональных блоков, реализованных на программном уровне:

управление основной насосной установкой;

управление дополнительной насосной установкой, например пожарными насосами;

управление дренажными насосами;

измерение и обработка параметров оборудования НС;

управление отоплением и вентиляцией помещений НС;

осуществление функций охраны от несанкционированного проникновения посторонних лиц на территорию НС;

обслуживание локального терминала;

Передача информации о параметрах и режимах работы оборудования НС на АСУ ТК и обработка сигналов управления, получаемых от нее.

Вывод.

В даном разделе дипломного проекта рассмотрены общие сведения о технологическом процессе и задаче автоматизации насосной установки. Приведены сведения о типах насосных установок и их составляющих частей, осных режимах работы и способах обеспечения заданного режима работы НС.


3. Аналитический обзор методов управления насосными установками

3.1. Регулировка подачи насосов

Подача насоса регулируется, в основном, тремя разными способами:

Дросселированием с помощью клапанов

Прерывистым регулированием (пуск – остановка)

Регулированием   скорости   вращения  насоса с  помощью   регулируемого электропривода

На промышленных предприятиях наиболее распространенный способ регулирования дросселированием. Это регулирование осуществляется путем введения в нагнетающую магистраль различных заслонок. КПД регулирования дросселированием значительно хуже чем КПД регулированием скорости вращения, при котором экономия энергии часто превышает 50%. Этот способ применяется для маломощных установок и характеризуется небольшим диапазоном регулирования. Преимуществом этого способа является простота реализации.

Регулирование насосов на водопроводных и водоочистительных сооружениях выполняется прерывистым способом регулирования. К недостаткам этого способа принадлежат: невысокий КПД, частые пуски и остановки, отрицательно действующие на трубопроводы и оборудование, невозможность плавного регулирования. При использовании данного способа регулирования необходимо предусматривать необходимый запас по мощности двигателя. Преимуществом этого способа является достаточно высокая экономичность, поскольку отсутствуют дополнительные потери при регулировании подачи.

Регулирование скорости вращения позволяет осуществлять точное и плавное регулирование. Благодаря применению регулирования скорости вращения трубопроводы и клапаны получают меньшую нагрузку; увеличивается их срок службы, и уменьшается потребность в их обслуживании [4].

В отличие от прямого пуска, электродвигатель насоса с регулированием от преобразователя частоты получает из сети лишь часть пускового тока. Таким образом, габаритные размеры электрооборудования можно сократить и снизить затраты на их приобретение. Благодаря применению приовода с преобразователем частоты габариты двигателя можно уменьшить на 10-20%.

Статическая нагрузка на магистраль уменьшается, так как система не работает постоянно при высоком давлении. Давление поддерживается на заданном уровне.

Динамические нагрузки заметно снижаются при «мягком» регулировании в сравнении с прерывчатым регулированием. Устраняются гидравлические удары, которые изнашивают трубопроводы и оборудование. Срок службы оборудования может даже удваиваться.

Регулирование путем изменения скорости вращения также позволяет осуществлять экономию энергии [4].

Исходя из вышесказанного, как способ регулирования напора выбираем регулирование путем изменения скорости вращения насоса.

Механизмы центробежного типа в силу особенностей их конструкций и условий технологического процесса не требуют реверсирования, их скорость согласуется со скоростью двигателя, поэтому електропривод этих установок выполняется безредукторным и поставляется обычно вместе с механизмом.

Отличительной особенностью рассмотренной группы механизмов есть облегченные условия их пуска. Эти механизмы, как в нормальных условиях, так и после аварийного отключения пускаются, как правило, вхолостую. При этом момент трогания не превышает 30-35% номинального момента. Для установок вентиляторного типа, которые пускаются под нагрузкой, момент сопротивления плавно возрастает с увеличением скорости, которая благоприятно согласуется с формой механической характеристики асинхронного двигателя. В результате прямой пуск рассмотренных механизмов с асинхронным короткозамкнутым двигателем или синхронным двигателем с асинхронной пусковой обмоткой происходит под действием практически неизменного динамического момента. Отмеченные особенности механизмов центробежного типа разрешают в большинстве случаев для их привода использовать нерегулированные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. В установках значительной мощности целесообразное применение синхронных двигателей, которые позволяют   активно   влиять   на   результирующую   реактивную мощность, потребляемую из сети промышленным предприятием.

На некоторых больших установках вентиляторного типа суммарный момент инерции электропривода значительно превышает момент инерции двигателя. При этом прямой пуск оказывается затянутым и сопровождается значительным нагреванием обмоток асинхронного короткозамкнутого или синхронного двигателя. Поэтому в электроприводе указанных установок находят применение асинхронные двигатели с фазным ротором и в том случае, когда регулирование скорости не нужно. Реостатный способ пуска таких двигателей облегчает процесс разгонки установки, уменьшает пусковые тока и нагрев обмоток двигателя.

Множество насосных установок работают в условиях агрессивной, взрывоопасной среды, при высоких температурах и влажности. Для таких установок применяются преимущественно асинхронные короткозамкнутые двигатели закрытого выполнения. Для особенно тяжелых условий эксплуатации двигатели специальной конструкции.

В установках, которые требуют плавного и автоматического регулирования подачи, электропривод выполняется регулированный. Характеристики механизмов центробежного типа создают благоприятные условия работы регулируемого электропривода, как относительно статических нагрузок, так и необходимого диапазона регулирования скорости. Из механических характеристик следует, что при уменьшении скорости, по крайней мере квадратично, снижается и момент сопротивления на валу двигателя. Это облегчает тепловой режим двигателя при работе на сниженной скорости. Необходимый диапазон регулирования скорости при условии отсутствия статического напора Нст=0 не превышает заданный диапазон изменения подачи.

В среднем для регулируемых механизмов центробежного типа необходимый диапазон регулирования скорости обычно не превосходит 2:1. Отмеченные особенности данных механизмов и невысокие требования относительно жесткости механических характеристик позволяют успешно применять для них простые в реализации варианты регулированного асинхронного электропривода [5-7].

Рассмотрим основные варианты применяемых регулируемых электроприводов.

Для установок сравнительно небольшой мощности (7-10 кВт) задача регулирования успешно решается с помощью системы регулятор напряжения –асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Как регулятор напряжения применения находит тиристорный коммутатор. Вентиляторная механическая характеристика нагрузки позволяет обеспечить устойчивую работу электропривода по системе тиристорный коммутатор – асинхронный двигатель в довольно большом диапазоне скорости без обратных связей.

Обычное изменение технологического режима, в котором принимает участие регулируемый электропривод, протекает довольно медленно и не требует высокого быстродействия. Поэтому как регулятор напряжения может быть использован трехфазный магнитный усилитель, включенный в цепь статора. Довольно просто реализовать и импульсный способ регулирования скорости асинхронного двигателя. Тиристорный ключ, замыкаясь и размыкаясь, изменяет среднее за цикл коммутации значения дополнительного сопротивления. Это сопротивление пропорционально скважности широтно-импульсной модуляции. Регулируя скважность, можно получить семейство механических характеристик электропривода. Скважность зависит от управляющего напряжения на входе системы управления тиристорным ключом. Так как критическое скольжение двигателя уменьшается при увеличении дополнительного сопротивления, то диапазон скоростей устойчивой работы привода даже при «вентиляторной» характеристике механизма оказывается довольно незначительным. Введение обратной связи по скорости обеспечивает жесткие механические характеристики и устойчивую работу замкнутой системы электропривода в необходимом для механизма диапазоне скоростей.

Общим недостатком рассмотренных вариантов регулированного электропривода есть выделение потерь скольжения при снижении скорости в самом двигателе. Эти потери вызывают дополнительное нагревание двигателя и требуют соответствующего завышения установленной мощности двигателя.

В установках, где по условиям эксплуатации допустимо применение асинхронного двигателя с фазным ротором, возможности регулируемого электропривода расширяются. Введение дополнительного сопротивления в цепь ротора позволяет вывести часть потерь скольжения из обмоток двигателя. Благодаря этому снижается необходимое завышение габарита двигателя и появляется возможность расширить диапазон мощностей привода при рассмотренных выше способах регулирования скорости. Например, импульсный способ регулирования окажется более целесообразным относительно коммутации дополнительного сопротивления в роторной цепи. При этом механические характеристики привода обеспечивают устойчивую работу в довольно большом диапазоне скоростей при разомкнутой системе электропривода.

Во всех рассмотренных вариантах имеют место значительные потери скольжения, которые рассеиваются в виде тепла в обмотках двигателя, в регулировочных сопротивлениях или в муфте скольжения, и КПД электропривода оказывается низким. Поэтому для электроприводов рассмотренных механизмов мощностью от сотни и тысячи киловатт находят применение каскадные варианты регулирования скорости, в которых потери скольжения возвращаются в сеть или на вал двигателя.

При больших диапазонах регулирования (D >2) и высоких требований к жесткости механических характеристик электропривода перспективна схема транзисторный преобразователь частоты — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Отсутствие необходимости в электрическом торможении и реверсе привода механизмов центробежного типа упрощает структуру транзисторного преобразователя частоты и позволяет выполнить его на базе автономного инвертора напряжения и управляемого выпрямителя.

Первоначально из-за отсутствия надежных и дешевых преобразователей частоты (ПЧ) для управления скоростью насоса в продолжительном режиме пытались использовать преобразователи напряжения (ПН), т.е осуществлять так называемое параметрическое регулирование.

Этот способ привлекателен тем, что тиристорный преобразователь напряжения (ТПН) очень прост и дешев. Однако, существует принципиальное ограничение на использование параметрического регулирования в продолжительном режиме – большие потери энергии в двигателе. Для того, чтобы все-таки использовать этот способ, энтузиасты идут на завышение установленной мощности электродвигателя в 2-2,5 раза, использование специально ухудшенного ротора с повышенным скольжением.

Очевидно, что при этом система с дешевым преобразователем ТПН оказывается слишком дорогой и нерациональной в практической реализации. Система ПЧ-АД, в которой скорость двигателя регулируется изменением частоты питающего напряжения, полностью лишена перечисленных недостатков. В этой системе экономится примерно вдвое больше энергии, так как в системах с ТПН половина экономящейся в насосе энергии рассеивается в двигателе, непредсказуемо уменьшая срок службы его подшипников и других деталей.

Из изложенного следует важный вывод: наиболее эффективный способ регулирования скорости АД – изменение частоты с одновременным изменением напряжения при использовании ПЧ. При этом срок окупаемости инвестиций в оборудование составляет от 6 до 18 месяцев в зависимости от механизма, режимов его работы и мощности приводного двигателя [8].

Изменять частоту оборотов имеет смысл только до определённой величины, при которой напор турбомеханизма станет равным статическому напору. При дальнейшем понижении производительности насоса, напора развиваемого турбомеханизмом будет недостаточно, чтобы преодолеть статический напор в сети.

3.2. Выбор принятых показателей качества

В процессе разработки систем автоматического управления и регулирования приходится учитывать весьма разнообразный комплекс требований, связанный с различными их характеристиками. Эти требования можно объединить в некоторые основные группы.

К первой группе критериев следует отнести требования, связанные со статическими и динамическими свойствами. Среди них важнейшее место занимают точностные характеристики. Они определяют ошибки, которые могут иметь место в системе управления в различных режимах.

Ко второй группе относятся требования, связанные с надежностью работы систем управления, ее устойчивостью к влиянию внешних воздействий. Сюда относятся в первую очередь такие требования как вероятность безотказной работы, интервал рабочих температур, вибростойкость, ресурс, условия хранения.

К третьей группе относятся требования связанные с характером эксплуатации систем управления. Сюда относятся условия обслуживания системы в процессе ее работ, квалификация обслуживающего персонала, возможность ремонта.

К четвертой группе относятся требования, связанные с допустимой массой и габаритами системы и допустимым потреблением энергии.

К пятой группе относятся требования, связанные с технологичностью изготовления системы управления.

Для нашего случая выделяем следующие показатели качества, предъявленные к системе управления электроприводом насосного агрегата:

1.   максимальная точность системы.

2.   максимальный КПД.

3.   минимальная стоимость.

4.   минимальные габариты.

3.3. Обоснование выбора системы регулирования привода по схеме ПЧ-АД

Наиболее перспективных и широко  используемых в настоящее время способов регулирования скорости АД является частотный способ. Этот способ обеспечит плавное регулирование в широком диапазоне, получаемые характеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ к тому же отличается и еще одним весьма важным свойством: при регулировании скорости АД не происходит увеличения его скольжения, как это имеет место, например, при реостатном регулировании.

Рассмотрим характеристики основных типов ПЧ.

НПЧ предназначен для преобразования высокой частоты в низкую и состоит из 18 тиристоров, объединенных во встречно-параллельные группы (рис.3.1). В основе преобразователя лежит трехфазная нулевая схема выпрямления; каждая фаза преобразователя состоит из двух таких встречно включенных выпрямителей.

НПЧ различают с раздельным и совместным управлением.

При раздельном управлении управляющие импульсы должны подаваться на тиристоры одной из вентильных групп в соответствии с направлением тока в нагрузке. Для обеспечения раздельной работы применяется специальное логическое устройство, исключающее возможность прохождения тока в одной группе в то время, когда ток проходит в другой группе.

В преобразователях с совместной работой вентильных групп необходимо включение дополнительных реакторов, ограничивающих уравнительный ток между вентилями каждой группы, а углы управления положительной и отрицательной групп изменяются по определенному закону, исключающему появление постоянной составляющей уравнительного тока. Преобразователи с совместным управлением работой вентильных групп обладают большой установленной мощностью силовых элементов.

Для получения выходного напряжения, близкого по форме к синусоидальному, необходимо изменять угол включения вентилей таким образом, чтобы среднее за полупериод питающей сети значение напряжения изменялось в течение полупериода выходного напряжения по синусоидальному закону. Регулирование частоты и напряжения на выходе преобразователя достигается изменением угла включения вентилей.

Рис. 3.1 – ПЧ с непосредственной связью

К достоинствам этого типа преобразователей можно отнести:

1) однократное преобразование энергии и, следовательно, высокий КПД (около 0,97—0,98);

2) возможность независимого регулирования амплитуды напряжения на выходе от частоты;

3) свободный обмен реактивной и активной энергией из сети к двигателю и обратно 

4) отсутствие коммутирующих конденсаторов, так как коммутация тиристоров производится естественным путем (напряжением сети).

К недостаткам рассмотренного ПЧ относятся:

1) ограниченное регулирование выходной

2) сравнительно большое число силовых вентилей и сложная схема управления ими;

3) невысокий коэффициент мощности — максимальное значение на входе преобразователя около 0,8.

ПЧ со звеном постоянного тока:

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобрaзовaтели с явно выраженным звеном постоянного тока, функциональная  схема которого приведена на рис. 3.2. В преобрaзовaтелях этого клaссa используется двойное преобрaзовaние электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (УВ), фильтруется фильтром ©, сглaживaется, a затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобрaзовaние энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению мaссогaбaритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Преобразователь с промежуточным звеном постоянного тока позволяет регулировать частоту как вверх, так и вниз от частоты питающей сети; он отличается высоким КПД (около 0,96), значительным быстродействием, сравнительно малыми габаритами и надежностью.

Рис. 3.2 – Функциональная схема ПЧ со звеном постоянного тока.

СФ – сетевой фильтр для отсечения высших гармоник; В – выпрямитель, обычно не регулируемый (в ПЧ первого поколения) для регулирования напряжения в звене постоянного тока; ДН и ДТ – датчики напряжения и тока; ТК – тормозни ключ; АИ – автономный инвертор, обычно ШИМ (рис.3.3); МФ – мотор-фильтр, уменьшение высших гармоник на двигатель; СУ – система управления.

В качестве запираемых ключей в АИ (рис. 3.3).могут использоваться GTO тиристоры или  IGBT транзисторы.

Тиристор является полуупрaвляемым прибором: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий вывод, но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для этого в тиристорным преобрaзовaтеле частоты требуется сложная и громоздкая система управления.

Рис. 3.3 – Принципиальная схема АИ

Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость, простая неэнергоемкая система управления, сaмaя высокая рaбочaя чaстотa.

Вследствие этого преобрaзовaтели частоты на IGBT позволяют расширить диaпaзон управления скорости вращения двигателя, повысить быстродействие привода в целом.

Применение IGBT с более высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорной системой управления в преобрaзовaтелях частоты снижает уровень высших гармоник, хaрaктерных для тиристорных преобрaзовaтелей. Как следствие – меньшие добавочные потери в обмотках и мaгнитопроводе электродвигателя, уменьшение нaгревa электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение так нaзывaемого «шaгaния» роторa в области малых частот. Снижаются потери в трaнсформaторaх, конденсаторных бaтaреях, увеличивaется их срок службы и изоляции проводов, уменьшaются количество ложных срaбaтывaний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.

Изменением периода подачи управляючих импульсов на силовые ключи достигается изменение частоты напряжения подваемого на двигатель (рис. 3.4).

Рис. 3.4 – Алгоритм подачи импульсов на транзисторы

При таком алгоритме в любой момент времени работают три силовых ключа (VT1, VT4, VT6)

Для работы двигателя необходимо с изменением частоты изменять и напряжение. Для этого его изменяют в звене постоянного тока либо используют ШИМ. При выборе соотношений между частотой и напряжением чаще всего исходят их условий сохранения перегрузочной способности.

Выбор преобразователя частоты производят исходя из условий:

;      ;

Вывод.

Таким образом, на основании проведенного аналитического обзора, к проектированию принимается система частотного регулирования скорости – транзисторный преобразователь частоты – асинхронный двигатель.


4. Определение
основных элементов электропривода

4.1. Расчет мощности и выбор электродвигателя насосной установки

Для выполнения требований технического задания необходимо произвести расчет мощности и по каталогам производителей выбрать соответствующие оборудование. [ 10-13 ]

Так как поставленной задачей является  регулирование напора изменением частоты вращения рабочего колеса насоса, то привод, выбираемый в данной установке, должен иметь возможность изменения скорости вращения вала двигателя.

Основным звеном в системе электропривода является электродвигатель. Известно, что применение асинхронных двигателей повышает надежность электропривода, а также снижает капитальные затраты и эксплуатационные расходы.

Описание насосного оборудования.

На насосной станции второго подъема для повышения надежности установлены два центробежных насоса типа 1Д315-71.

Насосы центробежные двустороннего входа типа Д предназначены для перекачивания воды и других жидкостей, имеющих сходные с водой свойства по вязкости до 36*10-6 м2/с (36сСт) и химической активности, температурой от 274 до 358К (от 1 до 85°С), не содержащих твердых включений по массе более 0,05%, размеру более 0,2 мм и микротвердостью более 6,5 Гпа (650кгс/мм2).

Насосы относятся к изделиям общего назначения вида I (восстанавливаемые)

ГОСТ 27.003-90. Насосы изготавливаются в климатическом исполнении УХЛ категории размещения 3.1 и климатическом исполнении Т категории размещения 2 по ГОСТ 15150-69.

Насосы (агрегаты) не предназначены для эксплуатации во взрыво и пожароопасных помещениях.

Общие требования безопасности насосов и агрегатов соответствуют

ГОСТ Р52743.

Условное обозначение насоса:

Насос (агрегат) 1Д315-71 УХЛ3.1 ТУ26-06-1510-88 1.

Где 1 – первая модернизация;

Д – двустороннего входа;

315 – подача, м3/ч;

71 – напор, м;

УХЛ или Т – климатическое исполнение;

3.1 или 2- категория размещения;

В табл. 4.1. приведены номинальные данные насоса.

 Таблица 4.1. - Номинальные данные центробежного насоса 1Д315-71.

Параметр

Обозначение

Значение

Ед. измерения

Подача

Q

315 (0,087)

м3/час (м3/с)

Напор

H

71,00

м

Частота вращения

n

1450 (24.2)

об/мин (сек-1)

Максимальная потребляемая мощность

N

97,00

кВт

Допускаемый кавитационный запас

H

6,5

м, не менее

Масса насоса

m

450

кг

КПД

hн

83

%

Момент инерции

Jн

1.91

кгм2

Насосы относятся к тем механизмам, в которых нельзя точно сказать какая нагрузка будет на валу двигателя в данный момент времени. Если рассматривать работу насосов статистически, то большую часть времени потребление воды будет небольшим, соответственно система регулирования снизит скорость насосов настолько, чтоб напор держался постоянным. Ввиду этого потребление мощности из сети будет небольшим, но вполне возможны и такие случаи, при которых потребление и, следовательно, скорость будут высоки. Поэтому двигатели следует выбирать под номинальные параметры насоса.

Рассчитаем мощность на валу двигателя по формуле из [ 15  ]

. (4.1.)

Здесь

g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения;

r = 1000 кг/м3 – плотность воды;

Qн.N = 0,087 – номинальная производительность насоса, м3/с;

Hн.N – номинальный напор насоса, м;

ΔH = 6,5 – кавитационный запас, м;

hн.N=0,83 – номинальный КПД насоса.

 Следовательно двигатели, установленные на насосной станции должны иметь номинальную мощность больше 79,69 кВт. По характеристикам подберем  асинхронный двигатель из рекомендуемых производителем насоса [10 ].

По рекомендации изготовителя нассоса и расчитаной мощности выбираем асинхронный двигатель мощностью 110 кВт  серии 5АМ [11] 5AM280S4, номинальные данные приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2. - Номинальные данные асинхронного двигателя 5АМ280S4 У3

Тип двигателя

Номинальная мощность, кВт

Номинальная частота вращения, об/мин

Коэффициент полезного действия, %

Коэффициент мощности

Номинальный ток при 380 В, А

Номинальный момент, Нм

Индекс механической характеристики

Отношение пускового момента к номинальному моменту

Отношение пускового тока к номинальному току

Отношение максимального момента к номинальному моменту

Динамический момент инерции ротора, кгм2

Масса,

кг

5AM280S4

110

1455

95,1

0,87

202

707

II

2,1

6,4

2,4

2,19

742

Внешний вид  двигателя 5АМ280S4 У3 показан на рис. 4.1

Рис. 4.1 - Асинхронный двигатель 5АМ280S4 У3.

В подобных системах использование насосной установки только для повышения напора недостаточно. Установка должна обеспечивать регулирование давления в водонапорной сети, с целью понижения энергетических затрат, расхода воды, а также минимизировать количество и габаритов, используемой аппаратуры водоснабжения.

4.2.  Выбор преобразовательного устройства

Функцию преобразования параметров электрической энергии питающей сети к таким значениям, которые необходимы для нормальной работы приводного двигателя, а также функцию преобразования величины электрической энергии, подводимой к двигателю для регулирования его скорости и выполняет преобразовательное устройство. Как было рассмотрено выше (раздел 3), в качестве преобразовательного устройство принят преобразователь частоты, на базе автономного инвертора напряжения на IGBT-транзисторах со скалярной ШИМ-модуляцией.

При выборе преобразователя частоты необходимо руководствоваться следующими основными требованиями:

-    высокая надежность при любых режимах работы;

простота системы управления без ухудшения основных параметров выходного тока,   напряжения и функциональных возможностей ПЧ;

минимально возможная стоимость преобразователя в диапазоне мощностей до 110 кВА.

В качестве преобразователя электроэнергии выбираем транзисторный преобразователь частоты 3G3HV-B11K японской фирмы OMRON [12].

Мощный инвертор широкого назначения 3G3HV является легко обслуживаемым прибором, имеющим расширенные функциональные возможности, такие как Пропорционально-Интегрально-Дифференциальное (ПИД) регулирование и работа в режиме энергосбережения.

По своей силовой схеме это двухзвенный преобразователь типа неуправляемый выпрямитель – автономный инвертор напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Силовая часть АИН построена на транзисторных модулях, в своей основе содержащих транзисторы типа IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором). Преобразователь имеет микропроцессорную систему управления, и предназначен для управления асинхронным двигателем мощностью до 130 кВт. Линейное напряжение питания привода с таким преобразователем 380 В. Система управления преобразователем содержит встроенный пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор, параметры которого вводятся с цифрового пульта управления. Введя необходимые параметры можно настроить этот регулятор для регулирования давления в водопроводной магистрали. Задание давления, и величину обратной связи можно осуществлять в аналоговом виде, используя многофункциональные аналоговые входы. Также преобразователь позволяет обеспечить плавный разгон и торможение двигателя по заданным временам пуска и торможения. Встроенные модули защит содержат максимально-токовую защиту двигателей, защиту от перегрузки схемы по напряжению, защиту от перегрева транзисторов, защиту от перегрузки двигателя и другие виды защит.

Таблица 4.3. - Номинальные данные на преобразователь.

Напряжение, В

220/380

Частота, Гц

50/60

Номинальная мощность, кВт

130

КПД

90 %

Сопротивление заземления не более, Ом

10

Параметры аналоговых входов

Напряжение, В

0..10 пост. тока

Ток, мА

4..20

Максимальная длина кабеля между преобразователем и двигателем, м

100

Рис. 4.2 - Преобразователь частоты 3G3HV-B11K японской фирмы OMRON.

В таблице 4.3 приведены основные характеристики преобразователя частоты 3G3HV-B11K.

Преобразователь обеспечивает следующие режимы работы и управления приводных машин и механизмов:

плавный пуск;

длительную работу в заданном диапазоне частот вращения и нагрузок;

реверсирование движения;

торможение и останов;

защиту электрического и механического оборудования в аварийных и нештатных режимах.

Эффективность применения данного электропривода обусловлена:

высоким качеством статических и динамических характеристик;

высокими энергетическими показателями;

гибкой настройкой рабочих параметров и режимов;

развитым интерфейсом и адаптивностью к различным внешним системам управления и автоматизации, в том числе высокого уровня;

высокой монтажно-наладочной готовностью;

простотой и удобством управления и обслуживания в эксплуатации.



4.3. Выбор датчика давления

Датчики давления разрабатываются рядом известных фирм. В дипломном проекте выбран датчик давления фирмы «Metran»[13] :

Рис 4.4 - Внешний вид датчиков давления Metran-100

Датчики давления Метран-100 предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления и обеспечивают непрерывное преобразования давления в унифицированный аналоговый сигнал.

Выбор датчика осуществим исходя из рабочего давления насоса Нном=65м = 6,5 атм., тогда максимально высокое рабочее давление равно

Рмакс= к× Нном= 1,2×6,5= 7.8 атм.   (4.3)

Выбираем датчик с ближайшим большим рабочим давлением Метран-100-ДИ

Датчики давления серии Метран-100 предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование в унифицированный токовый и/или цифровой на базе HART-протокола выходной сигнал дистанционной передачи следующих измеряемых величин:

избыточного давления - Метран-100-ДИ;

Измерение среды: жидкости, пар, газ, в том числе, газообразный кислород и кислородосодержащие газовые смеси.

Диапазоны измеряемых давлений:

минимальный 0-0,04 кПа;

максимальный 0-100 МПа;  

Основная погрешность: ±0,1%, ±0,15%, ±0,25%, ±0,5%;

Степень защиты от пыли и воды IР65.

Выходные сигналы:  

аналоговый сигнал постоянного тока 4-20 мА, 0-5мА, 0-20мА. Для датчиков исполнения Ех - только 4-20 мА;

аналоговый сигнал постоянного тока 4-20 мА, с наложенным цифровым сигналом в стандарте HART;

Возможности датчика:

контроль текущего значения измеряемого давления;

контроль и настройка параметров датчика;

установка "нуля";

выбор системы и настройка единиц измерения;

настройка времени усреднения выходного сигнала (демпфирование);

перенастройка диапазонов измерения, в том числе на нестандартный (25:1, 16:1, 10:1);

настройка на "смещенный" диапазон измерения;

выбор зависимости выходного сигнала от входной величины: (линейно-возрастающая, линейно-убывающая, пропорциональная корню квадратному перепада давления);

калибровка датчика;

непрерывная самодиагностика;

тестирование и управление параметрами датчика на расстояниии;

защита настроек от несанкционированного доступа;

Межповерочный интервал - 3 года;

Гарантийный срок эксплуатации - 3 года.

Общий вид датчика давления Метран-100-Ди представлен на рис. 4.7.

Рис. 4.5 - Общий вид датчика давления Метран-100-Ди.

4.4. Расчет и выбор кабеля питания

Расчет необходимого сечения кабеля питания всей установки проведем по допустимому току с дальнейшей проверкой на падения напряжения.

Сечение проводов и кабелей напряжением до 1000 В по условию нагрева выбирается в зависимости от длительно допустимой токовой нагрузки. Выбор сечения производится по условию нагрева длительным расчетным током

где IР – расчетный ток нагрузки, который равен переменному току, потребляемому установкой:

 

- длительно-допустимый ток на провода, кабели и шинопроводы;

k1=1 – поправочный коэффициент на условия прокладки проводов и кабелей (табл. 32, [8]);

k2=0.85 - поправочный коэффициент на число работающих кабелей, лежащих рядом в земле в трубах или без труб (табл. 33, [18]).

 

Выбираем сечение жилы 95 мм2  для тока IН.ДОП =255 А (табл. 25, [18]).

Проверим провод на падение напряжения исходя из того что линия в 3 провода длинной 100м.

,

где - проводимость меди,

- удельное сопротивление меди.

и составляет 3.75 % от напряжения питания, что является допустимым для данной системы. Выбираем кабель четырехжильный гибкий марки FG7R-0.6/1 3х95 мм2+ 1х50 мм2 [19].

 Структура кабеля:

- проводник: медный многопроволочный, класс гибкости 5;

изоляция жил: этилпропиленовая резина;

наполнитель: неволокнистый негигроскопичный материал неподдерживающий горение, с низким выделением коррозионных газов;

внешняя изоляция: ПВХ пластикат RZ неподдерживающий горение, с низким выделением коррозионных газов.

Технические характеристики:

- номинальное напряжение: 0,6/1 кВ;

рабочая температура: до 90°С;

температура короткого замыкания: 250°С;

-минимальная температура инсталляции: 0°С

Применение:

- неподвижный монтаж внутри и вне помещений (в т.ч. и незащищенный), прокладка (в т.ч. и незащищенная) в земле

Особые характеристики: хорошая сопротивляемость воздействию индустриальных масел

Цвет внешней изоляции:  серый.

4.5. Выбор аппаратов защиты

В качестве аппаратов защиты электроустановок применяются плавкие предохранители или автоматические выключатели с встроенными тепловыми (для защиты от перегрузок) и электромагнитными (для защиты от токов короткого замыкания) расцепителями.

Выбор автоматического выключателя производят по номинальному току, а настройку тока установки соответствующего расцепителя производят по допустимым токам перегрузки (1,2Ін) и короткого замыкания (2Ін).

Выбираем автоматический выключатель с электронным расцепителем типа TeamBreak XS400SE-C 250A фирмы TERASAKI [20], со следующими техническими характеристиками:

- номинальное напряжение 380 В;

- номинальный ток 250 А;

Вывод.

Согласно технического задания проведены необходимые расчеты и произведен выбор состветствующего оборудования: центробежный насос,частотный преобразователь, датчик давления. Расчитано необходимое сечение кабеля для питания установки и выбран аппарат защиты.


СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Разработка структурной схемы

Проектируемая система представляет собой одноконтурную систему управления, с  одним внешним контуром - контуром давления.

Структурная схема проектируемой системы представлена на Рис. 5.1.

Рис 5.1 - Структурная схема электромеханической системы.

Где,  РД – регулятор давления;

 КД – коэффициент передачи двигателя

     (5.1)

 КДД – коэффициент обратной связи по давлению

          (5.2)

5.2. Расчет параметров передаточной функции объекта управления

5.2.1. Анализ объекта регулирования

В общем случае объект управления описывается следующей функциональной схемой (Рис. 5.2).

Рис. 5.2 - Функциональная схема насосного агрегата.

Обозначения на рисунке:

АД – асинхронный двигатель;

ЦН – центробежный насос;

Us – напряжение статора, В;

fs – частота напряжения статора, Гц;

- механическая угловая скорость вращения ротора и рабочего колеса насоса, рад/с;

Mс – статический момент нагрузки на валу двигателя, Н×м;

Hнас – напор на выходе насоса, м;

Hвх – напор на входе насоса, м;

Q – производительность насоса, м3/с;

Sг – гидравлическое сопротивление магистрали, с25.

Как известно, нагрузка центробежных и осевых насосов, вентиляторов и других механизмов вентиляторного типа называется вентиляторной нагрузкой. Статический момент в подобных механизмах зависит от скорости вращения рабочего колеса во второй степени. Для вывода зависимости момента сопротивления на валу двигателя от его скорости вращения необходимо иметь математические выражения характеристики насоса и характеристики трубопровода.

Основными параметрами насоса являются напор и подача.

Подачей Q называется объем жидкости, подаваемый насосом в единицу времени.

Напор Н определяется как разность содержания энергии в 1кг жидкости (удельной энергии) на участке от входа в насос до выхода из него.

Диференциальное уравнение описывающее насос [14] имеет вид

,      

де m – масса води в насосе и трубопроводах; g –ускорение свободного падения; - плотность жидкости. Согласно данному уравнению можна составить следующую схему .(рис 5.3)

Рис.5.3 - Структурная схема насосной установки

Приведенная выше схема является черезмерно громоздкой и требует учета многих параметров изучаемых в динамике жидкостей . Для решения задач автоматизации  целесообразно линеаризовать эту схему используя подобия (5.3).  

 

          (5.3)

     

Пусть Q2 = QH, H2 = HH, 2 = H; Q1 = Q*, H1 = H*, 1 = *;

где   QH, HH, H – номинальные значения параметров насосной установки;

  Q*, H*, * – текущие значения параметров насосной установки.

Тогда уравнения (5.3) примет вид (5.4):

    (5.4)

     

Выразим значения напора и подачи насоса через скорость на валу двигателя (5.5) и (5.6):

         (5.5)

         (5.6)

 

где k1, k2 – постоянные величины.

Если не учитывать инерционность преобразователя частоты и электромагнитных цепей двигателя, считая, что они на порядок ниже, чем постоянная  времени технологического объекта, и связь объекта и электропривода через Мс, считая, что жесткость механической характеристики двигателя достаточно высока, то структурную схему в случае управления Н возможно линеаризовать в околе номинальной точки и упростить к виду( Рис 5.4)

. Возьмем корень с уравнения (5.6);

         (5.7)

где  - постоянный коэффициент.

Насос и гидравлическая сеть –  инерционные звенья, которые могут быть представлены апериодическим звеном первого порядка [14]:

       (5.8)

Где - коэффициент преобразования насоса,

- постоянная времени насоса

Так как насос является нелинейной сложной системой, а мы работаем в малых отклонениях, линеаризируем его коэффциент передачи.

Значение  с [14]. Поэтому, при синтезе системы столь малой постоянной времени допустимо пренебречь и считать насос безинерционным звеном:

Модель насоса будет иметь вид, показанный на рис. 5.4.

Рис. 5.4 - Модель насоса

Тогда структурная схема САУ насосной установки будет иметь, показанный на рис. 5.5:

 

Рис. 5.5 - Структурная схема САУ насоса

где РД – регулятор давления;

 КД – коэффициент передачи двигателя

     (5.9)

 КДД – коэффициент обратной связи по давлению

          (5.10)

Влияние постоянной времени насоса на параметры переходных процессов в системе будет учтено при моделировании системы.

Влияние постоянной времени насоса на параметры переходных процессов в системе будет учтено при моделировании системы.

5.2.2. Динамическая модель асинхронного короткозамкнутого электродвигателя

На основе Т-образной схемы замещения и схемы динамической обобщенной электрической машины производится математическое описание асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и разработка его динамической модели.

Рис. 5.6 - Схема замещения АД

 

Параметры схемы замещения:

    (5.11)

              

где X - главное индуктивное сопротивление;

R'1, X'1 - активное и индуктивное сопротивления обмотки статора, о. е.; R2, X2 - активное и индуктивное сопротивления обмотки ротора, приведенные к обмотке статора, о. е.;

X1, X''2, R1, R''2 - сопротивление статора и ротора, Ом;

U1фн, I1фн - номинальные значения фазного напряжения, В и тока, А.

При математическом описании АД, как объекта управления, принимаются следующие допущения:

  •  намагничивающие силы обмоток двигателя распределяются строго синусоидально вдоль окружности воздушного зазора;
  •  потери в “стали” статора и ротора отсутствуют;
  •  обмотки статора и ротора строго симметричны со сдвигом оси на 120°;
  •  насыщение магнитной цепи отсутствует.

Полная динамическая модель АД с короткозамкнутым ротором в неподвижной системе координат статора (а-b) представляется системой из пяти диффиренциальных уравнений [15]:

    (5.12)

где

              

где:

– угловая скорость;

,– компоненты вектора тока статора;

,– компоненты вектора потокосцепления ротора;

, – компоненты вектора напряжения статора;

– момент нагрузки;

,– активные сопротивления статора и ротора;

,– индуктивности статора и ротора;

– индуктивность намагничивающего контура;

,– индуктивности рассеивания статора и ротора;

– число пар полюсов;

– момент, развиваемый двигателем.

Поскольку при стабилизации напора система работает в малых отклонениях относительно рабочей точки стабилизации, возможно использование линейной модели асинхронного двигателя

Для синтеза регуляторов системы управления будет использоваться, так называемая, линеаризованная модель АД. Структурную схему линеаризованной модели асинхронного двигателя можно представить в виде, модели, приведенной на рис.5.7:

Рис. 5.7 - Линеаризованная модель АД

где М – механический момент двигателя, ;

- жесткость линейного участка механической характеристики;

   Тэ – электромагнитная постоянная времени, с;

   JS – сумарный, приведенный к валу двигателя момент инерции, ;

   w0 – задающая круговая частота вращения, рад/с;

   fз – частота задания, Гц,

КД – коэффициент передачи двигателя.

5.2.3. Динамическая модель преобразователя частоты

В состав преобразователя частоты со звеном постоянного тока  входит управляемый выпрямитель, фильтр и автономный инвертор напряжения.

Транзисторный преобразователь представляет собой нелинейный дискретный динамический объект с ограниченной управляемостью, однако можно говорить, что специфика ПЧ, как нелинейного объекта существенно не сказывается на работе системы. Частота среза контура регулирования в котором он находится, значительно ниже частот, существенных для динамики транзисторного преобразователя, при этом время переходных процессов в системе заметно превышает период дискретизации системы. Зачастую, выпрямитель при разработке систем управления электроприводами представляют в виде апериодического звена с коэффициентом передачи Кв и постоянной времени Тв, а инвертор и вовсе как безинерционное звено Ки [15].

Для синтеза регуляторов системы управления будет использоваться линеаризованная модель преобразователя частоты (рис. 5.8):

Рис. 5.8. Линеаризованная модель преобразователя частоты

где КПЧ – коэффициент усиления преобразователя частоты;

 Тm - постоянная времени ПЧ.

Для получения более  точного представления о протекании  переходных процессов проведем исследование  динамики системы ПЧ-АД при использовании  эквивалентной  двухфазной модели двигателя в векторной форме.

Математическое описание процессов преобразования энергии в асинхронном двигателе осуществляется при питании его от сети. Преобразование энергии в этом двигателе представляет собой сложную задачу в связи с существенной нелинейностью уравнений, обусловленной произведением переменных.

Двигатель является трехфазным, что осложняет математическое описание из-за увеличения числа уравнений, поэтому процессы в многофазных электрических машинах представляются в эквивалентной двухфазной модели этой машины. Условием адекватности является инвариантность мощности машины при преобразовании уравнений. При решении задачи преобразования каждая реальная переменная двигателя – напряжение, ток, потокосцепление – представляется в виде вектора. Направление вектора жестко связано с соответствующей данной обмотке (статора или ротора) осью координат. Со  статором жестко связана ортогональная система координат с осями (a, b), а с ротором – с осями (d, q). Все расчетные переменные представляются в системе координат (U, V), которая вращается относительно неподвижного статора со скоростью wс. Преобразование реальных переменных двигателя в осях (a, b) или (d, q) в расчетные (U, V) и обратно производится с помощью проекций соответствующих векторов переменных на эти оси согласно известным геометрическим закономерностям.

Уравнение  Кирхгофа для асинхронного двигателя имеет вид:

    (5.13)

   (5.14)

 

где  U1 – напряжение статора;

 I1, I2 – ток статора и ротора;

 R1, R2 – активное электрическое сопротивление статора и ротора;

 y1, y2 - потокосцепление статора и ротора;

  - угловая скорость электрическая;

 рп – число пар полюсов двигателя;

 w – угловая скорость двигателя.

Потокосцепления статора и ротора определяются следующими выражениями:

    (5.15)

    (5.16)

где  L1, L2,  L12   – индуктивность обмотки статора, ротора и их взаимоиндуктивность.

Векторы напряжения, токов и потокосцепления представляются суммой проекций на оси (U, V),

  

Из уравнения (5.16) определяется выражения для тока ротора

    (5.17)

После подстановки  (5.5) в (5.2) получается

или в операторной форме

Рис. 5.9 - Переменные в системе координат (U, V)

Введем замену:    

тогда уравнение окончательно принимает вид:

   (5.18)

Из (5.15) с учетом (5.17) находится выражение для потокосцепления статора

 (5.19)

где .

После подстановки (5.11) в (5.13) выражение для напряжения принимает вид:

или в операторной форме:

и окончательно:

   (5.20)

После аналогичных замен для цепи ротора получается преобразованная система уравнений, которая описывает процессы в асинхронном двигателе:

  (5.21)

Первое уравнение системы (5.11) в системе координат (U, V) имеет вид :

или

(5.22)

Проекции вектора напряжения имеют следующее значение:

  (5.23)

Аналогично для второго уравнения системы (5.9)

или

Проекции вектора имеют следующее значение:   

  (5.24)

Переход к системе координат () осуществляется при условиях U=a, V=b, wc=0. После этого системы уравнений (5.15) и (5.116) принимают вид:

   (5.25)

  (5.26)

Из этих уравнений определяются выражения для токов, потокосцеплений и производных:

   (5.27)

   (5.28)

   (5.29)

Выражение для момента асинхронного двигателя имеет вид:

где  ;

Произведение токов равно:

;

поэтому выражение для момента в координатах (U-V) принимает вид:

После перехода в координаты статора () момент двигателя равняется:

   (5.30)

Механическая часть электродвигателя описывается известным уравнением динамики:

     (5.31)

где J1 – момент инерции электродвигателя;

 Мс – статический момент.

Уравнения (5.17)-(5.23) представляют собой эквивалентную двухфазную математическую модель асинхронного двигателя в координатах статора (). На рис. 5.10 представлена структурная схема двигателя, построенная на их основании.

Трехфазный асинхронный двигатель питается от сети симметричным синусоидальным напряжением

где Um – амплитуда питающего напряжения;

 f1 – частота питающего напряжения.

Рис. 5.10 - Структурная схема асинхронного двигателя

Переход к системе координат () осуществляется на основании известных соотношений (Рис. 5.11)

Рис. 5.11 - Переход от трехфазной системы координат к двухфазной

Структурная схема данного перехода представлена на рис. 5.12. При этом амплитуда питающего напряжения двигателя задается значением Um, а частота напряжения – значением f1.

Рис. 5.12 - Эквивалентное двухфазное питающее напряжение двигателя

Рис. 5.13 - Структурная схема системы ПЧ-АД  при использовании эквивалентной  двухфазной модели двигателя в векторной форме

При исследовании переходных процессов бил использован пакет  моделирования динамических систем Simulink 4.0, среды MATLAB 6.5 R13 и для этого собрана структурная схема системы ПЧ-АД на рис 5.1, 5.13. В даной структурной схеме блок Subsystem представляет собой ПИД-регулятор скорости.

5.2.5. Рассчет параметров схемы замещения электродвигателя:

 

где  - номинальный ток статора.

Взаимная индуктивность статора и ротора:

Гн 

Индуктивность статора:

Гн  

Индуктивность ротора:

Гн

 

  

Коэффициент передачи:  

Рис. 5.14 - Структурная схема асинхронного двигателя с расчитанными параметрами замещения.

5.2.6. Рассчет параметров преобразователя частоты.

где КПЧ = f1H/IЗ = 50/16 = 3,125 Гц/mА, - коэффициент усиления преобразователя частоты,

f1H = 50 Гц - номинальная частота напряжения сети,

IЗ = 16 mAток задания, принимается стандартным (20-4)=16mA

 Тm  = 0,01 с, постоянная времени ПЧ.

Для реальных систем Тm  = 0,008 ¸ 0,01 с, для синтеза принимаем Тm  = 0,01.

 

5.2.7. Рассчет параметров структурной схемы насосной установки.

р = 2 - число пар полюсов обмотки статора двигателя;

рад/с - номинальная скорость холостого хода;

- номинальная скорость двигателя;

- номинальное скольжение двигателя;

- критическое скольжение;

где λ=2,4 - отношение максимального момента к номинальному моменту,

- коэффициент передачи двигателя;

 - электромагнитная постоянная времени двигателя;

- модуль статической жесткости;

- суммарный момент инерции;

- электромеханическая постоянная времени двигателя, где кг м2  

На основе полученных параметров, передаточная функция двигателя будет иметь вид:

Важной частью системы регулирования напора является датчик давления. Датчик выбираем по номинальному напору насоса. Пересчитаем номинальный напор насоса в давление:

.                    (5.9)

Выбираем датчик давления типа Метран 100ДИ на максимальное давление 1 МПа. Минимальное давление датчика 0 МПа. С целью повышения помехозащищенности, датчик давления  имеет токовый интерфейс. Информация о давлении передается в виде тока. Ток при максимальном давлении – 20 мА, при минимальном – 4 мА. Рассчитаем коэффициент передачи датчика давления. Максимальный напор, измеряемый датчиком:

.                              (5.10)

Имеем коэффициент передачи:

.                 (5.11)

Так как задание напора на регулятор будет приходить также в виде тока, максимальная величина которого будет также 20 мА, а минимальная 4 мА, то в канале задания также появится масштабирующий коэффициент, который будет равен обратному значению коэффициента передачи датчика напора:

.   (5.12)

5.3. Синтез контура регулирования давления

Синтез контура регулирования давления проведем методом последовательной коррекции. Настройку контура регулирования выполним на модульный оптимум.

Передаточная функция объекта регулирования (без регулятора и датчика давления) будет иметь вид:

   (5.13)

   (5.14)

Для синтеза регулятора давления пользуются заданием желаемой передаточной функции разомкнутой системы , в которой компенсированы все большие постоянные времени объекта, исключая их из разомкнутого контура регулирования. Аналогичным путем возможно исключить с разомкнутого контура регулирования и все коэффициенты усиления, а для устранения статической ошибки ввести в него интегрирующий элемент с малой постоянной.

Таким образом, исходный разомкнутый контур регулирования удается заменить результирующим контуром, который имеет общий коэффициент усиления, равный  (ОС предусматривается не единичной), но обладающим астатизмом первого порядка и обеспечивающим высокое быстродействие, благодаря малости постоянных времени, оставшихся нескомпенсированными.

То есть, желаемая передаточная функция разомкнутой системы имеет вид (настройка на модульный оптимум):

   (5.15)

Тогда передаточная  функция регулятора будет иметь вид:

(5.16)


где  - является малой, некомпенсированной постоянной времени.

Очевидно, что данная передаточная функция является пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором (ПИД - регулятором) с соответствующими коэффициентами усиления пропорциональной , интегральной  и дифференцмальной  частей регулятора.

Составляющие ПИД регулятора давления определяются:

,

,

Подставив числовые значения, получим:

    

 Вывод

Проектируемая система представляет собой одноконтурную систему управления, с  одним внешним контуром - контуром давления.

Регулятор давления реализуем с помощью программного универсального ПИД-регулятора, встроенного в преобразователь частоты. Проверкой результатов синтеза регулятора будет моделирование системы в пакете MATLAB.


6. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ САУ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ

Для моделирования системы управления насосной установки воспользуемся приложением SIMULINK пакета прикладного программного обеспечения MATLAB 7.1.

Следует отметить тот факт, что при реальных условиях работы пуск насосной установки, изменение давления в потребительской сети, не происходит скачкообразно, а достаточно плавно и длительно. Целью данного раздела является исследование работы установки в критических режимах работы, проверка правильности синтеза регулятора. Исследование переходных процессов в системе стабилизации давления проводим с использованием упрощенной модели АД и учетом постоянной времени насоса. Для исследования динамики системы в приложении Simulink разработана модель насосной установки, позволяющая проводить моделирование с учетом и без учета ограничений регулятора давления и с возможностью подачи на вход системы задания различного вида. Схема модели САУ насосной установки приведена на Рис. 6.1.

Проанализируем данную систему в следующих режимах без ограничения регулятора давления и с ограничением:

- Пуск скачком на холостом ходу ();

- Наброс нагрузки, равной Н·м

- Плавный пуск от задатчика интенсивности и наброс нагрузки;

В данном дипломном проекте принято, что влияние гидросети на АД учытывается ступенчатым характером наброса . Так как параметры гидросети зависят от конкретной конфигурации и обычно обеспечивают плавное нарастание , то этот случай является наиболее тяжелым

 

Рис. 6.1 - Схема модели САУ насосной установки

Учет ограничения осуществляется с помощью блока Saturation. То есть для случая с ограничением уровень ограничения выставляется на уровень 20.

Переалючателем Manual Switch-1коммутируется режим : входной сигнал: скачок – задатчик интенсивности (линейное нарастание сигнала до заданного уровня) ; Manual Switch-2 включает режим ограничения; Manual Switch-3 осуществляет наброс нагрузки.

Модель системы составлена из отдельных блоков. Каждый блок реализует определенный элемент структурной схемы. Модель содержит и другие компоненты, предназначенные для обеспечения работоспособности и визуализации результатов моделирования.

6.1. Анализ динамических режимов без учета ограничений

График изменения давления, при реакции на входной скачок без учета ограничений на выходе регулятора давления приведены на рис. 6.2. Графики изменения давления, при реакции на плавное нарастание сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления представлены на рис. 6.7.

Рис. 6.2 - График переходного процесса изменения давления, при реакции на скачок сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления и наброс нагрузки .

Рис. 6.3 – График переходного процесса изменения скорости, при реакции на скачок сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления и наброс нагрузки .

Рис. 6.4 – График переходного процесса изменения момента, при реакции на скачок сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления и наброс нагрузки .

Рис. 6.5 – График изменения тока фазы I1a, при реакции на скачок сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления и наброс нагрузки .

Рис. 6.6 – График изменения тока фазы I1b, при реакции на скачок сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления и наброс нагрузки .

Рис. 6.7 – График изменения напряжения фазы U1a, при реакции на скачок сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления и наброс нагрузки .

Рис. 6.8 – График изменения напряжения фазы U1b, при реакции на скачок сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления и наброс нагрузки .

Основные показатели качества переходных процессов :

При – был произведен пуск двигателя на холостом ходу

При  – наброс нагрузки.

Время переходного процесса:  с

Перерегулирование:

.

Динамическое падение скорости при при набросе нагрузки:

.

Время восстановления давления: с.

Рис. 6.9 - График переходного процесса изменения давления, при реакции на плавное нарастание сигнала задания без учета ограничений на выходе регулятора давления и наброс нагрузки.

Вывод.

Проведенное моделирование системы управления насосной установки в приложениеи SIMULINK пакета прикладного программного обеспечения MATLAB 7.1, показало правильность выбора структурной схемы насосной установки, а основные показатели качества переходных процессов говорят о правильности синтеза регулятора напора.


7. Спецвопрос

7.1. Анализ динамических режимов с учетом ограничений

В реальных электроприводах напряжение на выходе регулятора, реализуемого как программно, так и аппаратно следует ограничивать.

График изменения давления, при реакции на входной скачок с учетом ограничения на выходе регулятора давления, представлен на рис 7.1. График изменения давления, при реакции на плавное нарастание сигнала задания с учетом ограничений на выходе регулятора давления, представлен на рис 7.2.

Основные показатели качества переходных процессов при ограничении:

Перерегулирование:

.

Динамическое падение давления при при набросе нагрузки:

.

Время восстановления напора:

с.

 

Рис. 7.1 - График переходного процесса изменения давления, при реакции на скачок сигнала задания с учетом ограничений на выходе регулятора давления и наброс нагрузки.

 

Рис. 7.2 - Графики переходного процесса изменения давления, при реакции на плавное нарастание сигнала задания с учетом ограничений на выходе регулятора давления и наброса нагрузки.

Из полученных результатов моделирования можно сделать следующие выводы:

1.Режим отработки скачка задания без ограничения регулятора несколько отличается от стандартной настройки контура на модульный оптимум. Это объясняется динамикой насоса, не учтенной при расчетах регуляторов.

2. Наброс нагрузки отрабатывается контуром астатически, что объясняется наличием интегральной составляющей регулятора давления.

3. При введении ограничения на выходной сигнал регулятора,   показатели качества переходных процессов ухудшаются. А именно быстродействие системы несколько падает, а перерегулирование возрастает. Использование на входе системы задатчика интенсивности позволяет обеспечить пуск насосной установки за заданное время без гидроудара, перерегулирование при этом уменьшается.

  1.  
    Техническая реализация системы
    управления

Насосная установка, как правило, состоит из различных систем: гидравлической системы, системы электроснабжения, системы автоматики и др.

Гидравлическая система представляет собой совокупность баков, трубопроводов, насосов, контрольно-измерительной и пускорегулирующей аппаратуры и предназначена для выполнения определенных функций.

Система энергоснабжения насосной установки обеспечивает электрическую связь с энергосистемой и обеспечивает непрерывное снабжение всех потребителей насосной установки электроэнергией.

Система автоматики обеспечивает дистанционное управление насосной установкой, системой энергоснабжения и т. д.

Разберем один из возможных вариантов технической реализации системы управления установкой.

Электроснабжение насосной станции НС осуществляется от трансформаторной подстанции КТП. Электроэнергия поступает на распределительное устройство РУ, к которому подключено силовое электрооборудование. Здесь же размещены первичные аппараты для средств учета потребляемой электроэнергии.

Силовое электрооборудование размещено в электрощитовой НС. Оно содержит: силовые шкафы управления СШУ, преобразователь частоты ПЧ и, при необходимости, компенсатор реактивной мощности КРМ. Силовой шкаф управления содержит коммутационный аппарат, с помощью которого осуществляется коммутация питания электропривода М центробежного насоса Н либо к выходу ПЧ, либо к секции РУ.

В машинном зале НС размещено основное и вспомогательное оборудование НС. Основное оборудование включает насосы ЦН1, ЦН2, электроприводы М1, М2. В состав вспомогательного оборудования могут входить: дренажные, пожарные, вакуум-насосы; задвижки (основной функцией которых является вовсе не регулирование давления в трубопроводе, а обеспечение условий нормального пуска насоса). К дополнительному оборудованию также относят обратные клапаны или вентили, предотвращающие обратное перемещение жидкости сквозь насос при его отключении; вентиляторы; обогреватели и другое вспомогательное оборудование. Управление им производится при помощи исполнительных механизмов ИМ1, ИМ2.

Датчики выходного давления в трубопроводе обеспечивает систему управления входной информацией, на основании которой принимается решение об изменении выходного воздействия.

Сигналы управления и измерительные сигналы от оборудования НС собираются в шкафу управления ШУ. Здесь же происходит их объединение в одну общую информационную линию связи, которая подключается к технологическому контроллеру ТК.

Технологический контроллер реализует общий алгоритм управления НС и обмен информацией с автоматизированной системой управления технологическим комплексом АСУ ТК. Система телеметрии обеспечивает передачу на пульт диспетчера параметров состояния станции, сигналов возникновения аварийной ситуации и прием команд управления с пульта диспетчера. В качестве информационного канала могут использоваться различные сети передачи данных — от телефонной сети до радиоканала и каналов связи местных операторов сети GSM.

Программное обеспечение ТК содержит ряд функциональных блоков, реализованных на программном уровне:

управление основной насосной установкой.

управление дополнительной насосной установкой, например пожарными насосами.

управление дренажными насосами.

измерение и обработка параметров оборудования НС.

управление отоплением и вентиляцией помещений НС.

осуществление функций охраны от несанкционированного проникновения посторонних лиц на территорию НС.

обслуживание локального терминала.

передача информации о параметрах и режимах работы оборудования НС на АСУ ТК и обработка сигналов управления, получаемых от нее.

Основным звеном участвующим в преобразовании энергии для привода насоса является преобразователь частоты.

Преобразователь частоты служит для плавного разгона и торможения насосного агрегата, а также для регулирования скорости его вращения во время работы. Рассмотрим подробно  его состав

Схема состоит из следующих компонентов.

Элементы L1..L3 и C1..C3 представляют собой сетевой фильтр.

Далее следует неуправляемый выпрямитель на диодах VD1...VD6, шунтированных конденсаторами C1...C3 для ограничения производной напряжения на диодах.

Конденсаторы C7..C8 включены в схему для замыкания переменной составляющей напряжения звена постоянного тока на землю, а также для подавления радиопомех.

Электролитические конденсаторы C9 и C10 необходимы для защиты транзисторов автономного инвертора от перенапряжений.

Светодиод VD7 необходим для индикации наличия заряда на емкостях силовых цепей преобразователя.

Автономный инвертор напряжения на транзисторах VT1..VT12, шунтированных диодами VD8..VD19.

Трансформаторы тока TA1..TA3 используются для заведения обратной связи по току во внутренней системе управления преобразователем.

Ячейка BJ1 выполняет функцию датчика тока звена постоянного тока.

Для того, чтоб преобразователь работал с подключенным к нему двигателем так как это требуется, необходимо сделать соответствующие настройки, а именно задать соответствующим параметрам необходимые значения.

В разрабатываемой системе электропривода будут использоваться следующие возможности преобразователя.

Функция энергосберегающего управления.

Встроенный ПИД регулятор для регулирования давления.

Функции многофункциональных входов и выходов для задания давления и задач автоматики.

Кратко опишем перечисленные пункты.

8.1. Описание режима энергосберегающего управления.

В режиме энергосберегающего регулирования преобразователь автоматически понижает (экономит) потребление энергии в случае низкой нагрузки двигателя, обычного, или специально предназначенного для работы с преобразователь. При работе в этом режиме преобразователь оценивает фактор нагрузки двигателя по величине потребляемого им тока и регулирует выходное напряжение, подавая на двигатель при уменьшении нагрузки только необходимую мощность. Чем дальше преобразователь работает в режиме энергосберегающего регулирования, тем более эффективно осуществляется экономия потребляемой мощности. Экономия потребляемой энергии осуществляется менее эффективно в том случае, когда нагрузка превышает 70% номинального значения момента вращения двигателя. В режиме энергосбережения преобразователь не обеспечивает экономию излишка потребляемой мощности специальных двигателей таких, как шпиндельные двигатели и двигатели, предназначенные для работы под водой.

Ниже перечисляются ступени режима энергосберегающего регулирования преобразователя.

Преобразователь начинает нормальный разгон двигателя. При этом, в процессе разгона двигателя, преобразователь не выполняет энергосберегающее регулирование.

Преобразователь начнет выполнение энергосберегающего регулирования после достижения выходной частотой значения, заданного задатчиком частоты.

Преобразователь вычисляет идеально подходящее значение выходного напряжения, исходя из условий работы и коэффициента энергосбережения К2, заданного в параметре n 096.

Выходное напряжение изменяется до идеально подходящего значения.

Преобразователь выполняет функцию автоматической подстройки (режим поиска) для нахождения минимального значения выходной мощности, необходимого двигателю. Функция автоматической настройки (режим поиска) находит минимальное значение выходной мощности, подаваемой на двигатель путем изменения выходного напряжения ступенями, характеристики которых заданы в параметрах n101 и n102.

Преобразователь начинает нормальное торможение двигателя. В процессе торможения двигателя преобразователь не осуществляет энергосберегающее регулирование.

Наиболее эффективное значение напряжения, подаваемого на двигатель, зависит от фактора нагрузки двигателя. В режиме энергосберегающего регулирования преобразователь вычисляет идеально-подходящее значение выходного напряжения и устанавливает его таким образом, что реальная потребляемая двигателем мощность минимизируется (Рис. 8.1.).

Рис. 8.1 - Зависимость потребляемой приводом мощности от напряжения при энергосберегающем управлении.

1 – M/MN = 1; 2 – M/MN = 0.5

В документации по преобразователю приводятся значения коэффициента K2 для случая использования преобразователя с асинхронными двигателями стандартного исполнения либо с двигателями предназначенными специально для частотного регулирования. В данном случае K2 = 36,23 (параметр n096).

Параметр n100 устанавливает предел изменения напряжения в режиме поиска оптимальной его величины. Задается в процентах от номинального напряжения двигателя. Диапазон его изменения 0..100%. В данном случае n100 устанавливается в 100%.

Параметр n097 устанавливает нижний предел изменения напряжения в энергосберегающем режиме при максимальной частоте, в процентах от номинального напряжения двигателя. В данном случае n097 задается равным 20%.

Параметр n098 устанавливает нижний предел изменения напряжения в энергосберегающем режиме при минимальной частоте, в процентах от номинального напряжения двигателя. В данном случае n098 равен 12%.

Параметр n099 задает время за которое будет происходить вычисление средней мощности при энергосберегающем управлении. Задается в виде единиц времени. За единицу времени принято 25 мс, предел 200 единиц. В данном случае эта уставка особой роли не играет ввиду того, что времена изменения величины задания на давление много больше величины этой уставки. Поэтому n099 задаем равным 1 (25 мс) по умолчанию.

8.2. Описание встроенного ПИД регулятора.

Инвертор имеет встроенную систему ПИД регулирования. Все дело в том, что сам преобразователь не содержит системы регулирования скорости, и поэтому возможность ее регулирования, либо регулирования других величин, зависящих от скорости предусмотрена в виде данного регулятора. Все основные параметры регуляторов задаются в числовом виде, а также задается тип регулирования. Всего предусмотрено два типа ПИД регулирования: регулирование с дифференцированием обратной связи (рис. 8.2.) и основной режим регулирования (рис. 8.3.).

Рис. 8.2 - Режим ПИД регулирования с дифференцированием обратной связи.

Рис. 8.3 - Основной режим ПИД регулирования.

Схема, представленная на рис. 8.4. поясняет принцип влияния уставок, относящихся к ПИД регулятору на его режимы.

Рис. 8.4 - Функциональная схема ПИД регулятора.

Значения уставок, отвечающих за ПИД регулирование будут описаны в следующей главе и будут являться результатом разработки регулятора напора.

8.3. Описание используемых входов и выходов.

Преобразователи 3G3HV имеют специализированный аналоговый вход FV для задания скорости (или другой регулируемой величины) в виде постоянного напряжения 0..10 В. Обратная связь заводится по входу FI. При уставке параметра n043 равной 1 величина обратной связи должна задаваться в виде постоянного тока 4..20 мА. Если n043 равен 0 то обратная связь задается в виде  постоянного напряжения 0..10 В.

Кроме специализированных входов преобразователь имеет также шесть многофункциональных релейных входов. Их значения программируются параметрами n035..n039. Параметр n035 определяет функцию входа S2, n036 входа S3, …, n039 входа S6. Вход S1 всегда запрограммирован как вход пуска/останова привода.

Кроме многофункциональных релейных входов преобразователь имеет также два многофункциональных релейных выхода (MA нормально разомкнутый, MB нормально замкнутый, MC общий; M1 нормально разомкнутый, M2 общий), которые программируются параметрами: MA-MB-MCn040, M1-M2 – n041. Эти выходы предполагается использовать в качестве аварийного выхода и выхода, сигнализирующего об останове привода.

Вывод.

Благодаря достижениям современной силовой электроники появилась возможность реализовать полнофункциональный электропривод используя дешевый асинхронный электродвигатель и современный компактный частотный преобразователь. Данная конструкция позволяет использовать функция энергосберегающего управления, встроенный ПИД регулятор для регулирования давления, функции многофункциональных входов и выходов для задания давления и задач автоматики, что позволяет создавать надежные и эффективные насосные установки для нужд народного хозяйства.


9. Технико-экономические расчеты

9.1.Технико-экономическое сравнение вариантов проектных решений

В дипломном проекте разработана система автоматизации насосной установки станции подкачки воды жилищного комплекса на основе электропривода с частотным преобразователем и асинхронным электродвигателем.

В настоящее время распределение всей произведенной в индустриально развитых странах электроэнергии осуществляется примерно в следующей пропорции:

- 69 % - электропривод

- 6 % - освещение

- 25 % - прочее.

В свою очередь, из доли электроэнергии, направленной на работу электроприводов, на долю насосов и вентиляторов приходится около 60 %. Таким образом, более 40 % (а, по некоторым оценкам, и более 50 %) всей вырабатываемой в мире электроэнергии направляется на нужды электроприводов.

Центробежные вентиляторы, насосы и компрессоры объединяются в один класс нагрузочных механизмов для электропривода, так как их характеристики с точки зрения требований и условий работы электропривода имеют много общего. Большая часть электроприводов указанных механизмов является нерегулируемыми.

Традиционные способы регулирования подачи насосных и вентиляторных установок состоят в дросселировании напорных линий и изменении общего числа работающих агрегатов по одному из технологических параметров - давлению в трубопроводе или в диктующей точке сети, уровня в приёмном или регулирующем резервуаре и др. Эти способы регулирования направлены на решение поставленных технологических задач (поддержание заданного давления) и практически не учитывают энергетических аспектов транспортировки воды.

Вместе с тем, гидравлическое и электротехническое оборудование насосных станций обычно выбирается по максимальным техническим параметрам (подаче, напору и др.) системы водоснабжения и водоотведения. Однако в реальной жизни оказывается, что вновь вводимые в эксплуатацию насосные установки выходят на проектные режимы в течение многих лет, либо не выходят вообще. Поэтому существующие станции, как правило, работают в режимах, существенно отличающихся от расчётных. Кроме того, имеют место суточные, недельные и сезонные колебания расходов и напоров, обусловленные переменным водопотреблением, в результате этого рабочие режимы насосов оказываются далеко от рабочих зон их характеристик (как правило, в меньшую сторону).

Поэтому с появлением надёжного регулируемого электропривода создались предпосылки для разработки принципиально новой технологии транспортировки воды с плавным регулированием рабочих параметров насосной установки без непроизводительных затрат электроэнергии и с широкими возможностями повышения точности и эффективности технологических критериев работы систем подачи. При этом геометрическим местом рабочих точек насосной установки становятся характеристики трубопроводов, а не характеристики насосов, как в случае регулирования подачи насосных агрегатов с постоянной частотой вращения.

С помощью регулирования частоты вращения для изменения расхода энергии по сравнению с дросселированием достигается значительный потенциал сбережения энергии.

Проведённые целым рядом различных организаций исследования по применению регулируемого электропривода турбо-механизмов, а также имеющиеся в нашем распоряжении документы, использованные при написании настоящей работы, позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. Наиболее эффективным способом регулирования асинхронных короткозамкнутых двигателей является частотный способ, позволяющий в наибольшей степени осуществлять экономически целесообразные режимы работы во всём диапазоне регулирования производительности турбо-механизмов.

2. Модернизация действующих нерегулируемых электроприводов с целью энергосбережения позволяет получать максимально возможный экономический эффект за счёт минимальных капитальных затрат.

3. Частотное управление является основным способом достижения максимальной производительности асинхронного электропривода в статических режимах.

4. Технологические особенности электроприводов турбо-механизмов позволяют считать их как объектно-ориентированные электроприводы, работающие в основном в статических режимах.

Весомым аргументом в выборе частотно-регулируемого привода(ЧРП) стали преимущества асинхронного двигателя: высокая надежность, простота в эксплуатации, высокая степень защиты от внешнего среды, сравнительно низкая стоимость и малые эксплуатационные затраты.

При применении частотных преобразователей можно выделить прямые и косвенные источники экономии.

К прямому источнику экономии относится:

- экономия электроэнергии за счет работы электропривода в зависимости от реального водопотребления и снижения по этой причине потребляемой электроэнергии в случае снижения реального водопотребления в системе конечными потребителями;

К косвенным источникам экономии относятся следующие:

- снижение расхода воды в водоснабжающей системе за счет снижения потерь, связанных с избыточным давлением (увеличение давления в трубопроводе на 1 атмосферу обеспечивает увеличение утечек на 2-7 %);

- снижение расходов, направленных на профилактический и капитальный ремонт сооружений и оборудования (как электроприводов и насосов, так и трубопроводов)

Наряду с изложенными составляющими энергосбережения, которые в конечном чете учитываются и оцениваются, применение ЧРП дает ряд дополнительных преимуществ:

- экономию тепла в системах горячего водоснабжения за счет снижения потерь воды, несущей тепло;

- возможность создавать при необходимости напор выше основного;

- уменьшение износа основного оборудования за счет плавных пусков, устранения гидравлических ударов, снижения напора (по имеющемуся опыту в коммунальной сфере количество мелких ремонтов основного оборудования снижается в два раза);

- возможность комплексной автоматизации систем водоснабжения.

По данным специалистов института EPRI (США) эффективность ресурсосбережения при использовании ЧРП соизмерима с экономическим эффектом от энергосбережения. В отечественной практике рекомендуется использовать коэффициент увеличения экономического эффекта К=1,3.

Для насосной установки был выбран преобразователь 3G3HV-B11K японской фирмы OMRON. В приводе насосной установки применяется асинхронный двигатель с коротко замкнутым ротором 5АМ280S4 У3.

В данном случае преобразователь частоты подключается непосредственно к одному электроприводу и руководит его работой в зависимости от заданных параметров и получаемой от датчика информации.

В таком случае эффект от работы электропривода определяется лишь понижением расхода электроэнергии, а также всеми косвенными источниками экономии, в разрезе одного управляемого электропривода по сравнению с его работой без частотного управления.

Подключение частотного преобразователя к одному электроприводу целесообразно на тех объектах, где электропривод имеется в единственном экземпляре и его работа не имеет комплексной взаимосвязи с иными преобразователями.

При таком варианте использования преобразователя частоты получается максимальная удельная стоимость преобразователя на 1 кВт мощности двигателя, поскольку при необходимости переоснащения каждого нового электропривода преобразователем, стоимость нового преобразователя будет учитываться в полном объеме.

Учитывая тенденцию снижения стоимости электронных преобразователей частоты и повышения стоимости активных материалов, из которых изготовляются электродвигатели, данные системы интенсивно будут развиваться.

Показателем наилучшего варианта, который определяется на основе сравнительной экономической эффективности, есть минимум приведенных затрат. Приведенные затраты по каждому варианту представляют из себя сумму ежегодных затрат производства и капитальных вложений, приведенных к одинаковой размерности в соответствии с нормативом эффективности по каждому варианту.

Приведенные затраты определяются по следующей формуле: ,

где Зі - приведенные затраты по варианту технического решения, которое рассматривается, грн./год; - нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений, 1/год; - капитальные затраты по каждому варианту, грн.; - ежегодные эксплуатационные затраты спустя же варианте, грн./год.

В составе стоимости затрат и должны быть учтены затраты лишь за отличными элементами.

9.2.Приведение сравниваемых вариантов к сопоставительному виду

Поскольку технические параметры используемого и базового электродвигателей несколько отличаются - необходимо привести их затраты до одного уровня продуктивного эффекта путем введения коэффициента эквивалентности:

- коэффициент, который учитывает увеличение ( в данном случае) перегрузочной способности используемого двигателя по отношению к базовому:

- коэффициент, который учитывает изменение срока службы используемого двигателя по отношению к базовому:

- коэффициент надежности:

9.3.Расчеты капитальных затрат по сравниваемым вариантам

Величину капитальных затрат определяем за формулой: ,

где - затраты на приобретение изделия потребителем (оптовая цена), грн.;

, - затраты на транспортировку, монтаж и наладку, грн.

Оптовую цену определим по формуле:

где - проектная себестоимость изделия (полная себестоимость изделия);

- рентабельность соответствующих электротехнических изделий.

Оптовые цены по базовым и новым изделиям должны учитываться при одинаковом уровне рентабельности.

Себестоимость определим из прейскурантов фирм-производителей:

базовое изделие:

  1.  Двигатель серии А02-42   
    1.  Релейная схема автоматики  
    2.  Насос  

новое изделие:

  1.  Двигатель серии 5АМ280S4 У3             
    1.  Преобразователь          
      1.  Насос          

Рентабельность электрических машин средней и малой мощности, низковольтная аппаратура, силовые преобразователи по приложению .

Оптовая цена

базовое изделие:

новое изделие:

 Затраты на транспортировку, монтаж и наладку определим на уровне 15% от стоимости изделия.

Капитальные затраты по базовому изделию

Капитальные затраты по новому изделию

Результаты расчетов капитальных затрат занесем в таблицу 9.1

Таблица 9.1 - Капитальные затраты

Наименование затрат

Сумма затрат, грн.

Базовое

Новое

Затраты на приобретение оборудования,

75264

135968

Затраты на транспортировку, 

11289,6

20395,2

Затраты на монтаж и наладку, 

11289,6

20395,2

Вместе,

197834,2

176758,4

То же, с учетом коэффициента эквивалентности, 

328722,912

176758,4

9.4. Расчеты ежегодных эксплуатационных затрат по сравниваемым вариантам

При определении экономической эффективности новых изделий необходимо установить размер затрат на эксплуатацию этих изделий. Данные эксплуатационные затраты включают амортизационные отчисления, затраты на ремонт и обслуживание, затраты на электроэнергию и определяются по формуле:

где - амортизационные отчисления в год; - затраты на текущий ремонт и обслуживание, в которое входит стоимость годовой затраты материалов, необходимых для ремонта и эксплуатации, заработная плата ремонтного и обслуживающего персонала; - стоимость годовых затрат активной и реактивной энергии.

Общие амортизационные отчисления с достаточной степенью точности могут быть определенные по формуле: , где - общая годовая норма амортизационных отчислений, % : ;

- капитальные затраты по сравниваемым вариантам;.

Для базового изделия:

Для нового изделия:

Поскольку конкретных данных для определения затрат на текущий ремонт и обслуживание нет, подсчитаем эти составные ежегодных эксплуатационных затрат на уровне 8 % от капитальных затрат.

Для базового изделия:

Для нового изделия:

Стоимость затрат активной энергии для двигателя: , где - средний тариф за 1 кВт - час активной энергии.

Согласно постановлению Кабинета Министров Украины от 15.08.2005 № 745 «О переходе к единым тарифам на электрическую энергию, отпускаемуюпотребителям» и постановлением НКРЭ от 26.04.2012 № 524 розничные тарифы на электроэнергию для потребителей (кроме населения) с учетом предельных уровней при постепенном переходе к формированию единых розничных тарифов для потребителей на территории Украины в мае 2012 года составят:112,15 коп за 1 кВт – час:

 ,

где h – количество часов работы двигателя за год:

- средний коэффициент загрузки двигателя:

- номинальная мощность двигателя:

η - КПД двигателя, если ;

Для базового изделия: ;

Для нового изделия: ;

α - относительная величина затрат в распределительных сетях потребителя, отнесенная  потребляемой мощности двигателя .

Стоимость годовых затрат активной энергии:

Для базового изделия:

Для нового изделия:  Результаты расчетов годовых эксплуатационных затрат сведем в таблицу 9.2

Таблица 9.2 - Ежегодные эксплуатационные затраты

Наименование затрат

Сумма затрат, грн./год

Базовое

Новое

Амортизационные отчисления, 

12679,31

22907,89

Затраты на текущий ремонт, 

14140,67

7826,75

Стоимость затрат активной энергии, Иеа

260736,13

77107,71

Вместе, И

281242,19

114156,27

То же, с учетом коэффициента эквивалентности,

944973,76

114156,27

В связи с ростом стоимости электрической энергии особенно остро становится вопрос об экономическом и рациональном ее потреблении. Поэтому проектирование повода с минимально возможным потреблением энергии есть сегодня актуальным.

9.5. Расчеты приведенных затрат и выбор оптимального варианта

Полученных в результате выполненных расчетов значений капитальных затрат и ежегодных эксплуатационных затрат по каждому из сравниваемых вариантов используем для определения приведенных затрат для каждого варианта.

где - приведенные затраты по варианту технического решения, которое рассматривается, грн./год; - нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений; - капитальные затраты по каждому варианту, грн.; - ежегодные эксплуатационные затраты.

Результаты расчетов сведем в таблицу 9.3.

Таблица 9.3. - Сводные экономические показатели

Наименование затрат

Варианты

Базовое

Новое

Капитальные затраты, К, грн.

197834,2

176758,4

Ежегодные эксплуатационные затраты, И, грн./год

281242,19

114156,27

Приведенные затраты, 3

225958,42

188174,1

Анализируя полученные результаты, делаем вывод, что оптимальным решением является использования нового оборудования.

9.6. Экономия электроэнергии

Мировой опыт показывает, что экономное и рациональное потребление электроэнергии большей мерой реализуется за счет оптимизации ее использования .

Экономия электроэнергии без убытка интересов потребителей может быть достигнута только внедрением энергосберегающих технологий и методик, которые оптимизируют реальное потребление электрической энергии.

Как уже отмечалось выше, в случае применения преобразователя частоты осуществляется поддержание давления в гидросистеме независимо от расхода, с помощью регулирования частоты вращения электродвигателя насоса. Данное утверждение может быть подтверждено следующими запротоколированными фактическими данными. На станции подкачки предназначенной для подачи холодной питьевой воды в несколько жилых домов с общим населением 5026 человек, на насос К-90/35, мощностью 11 кВт, был установлен преобразователь частоты. Приведенный график на рис.9.1 был снят во время работы преобразователя и иллюстрирует процесс регулирования. В течение суток расход воды меняется почти в 6 раз. Ночью он минимален, а утром и вечером наблюдаются максимумы.

Рис.9.1 - Режим работы насосной станции с установленным преобразователем частоты.

Данный график наглядно отображает эффективность использования частотного преобразователя. Линия, показывающая напор на входе, отображает его неравномерность во времени. Кроме того, график отображает неравномерность расхода воды в разное время суток (разница между минимальным и максимальным расходом в течение одних суток составляет примерно 500 % - от 10 до 60 куб.м/час). Несмотря на это, электронасос, снабженный частотным преобразователем, обеспечивает в течение рассматриваемого времени практически постоянный уровень выходного давления за счет плавного регулирования скорости вращения двигателя насоса. Даже при резком изменении расхода (в утренние и вечерние часы), напор в системе поддерживается постоянным.

В данном конкретном случае, при сравнении регулируемого режима насоса с нерегулируемым, были получены следующие результаты:

- экономия электроэнергии 54% (за счет оптимизации расхода энергии)

- экономия холодной питьевой воды 34% (за счет отсутствия избыточного давления ночью)

На рис.9.2  отображены результаты работы станции в режиме включенного и выключенного преобразователя, подтверждающие экономию питьевой воды. При включенном ЧРП средний расход воды на одного жильца в сутки составлял – 165 л, а при выключенном – 251 л. При этом, как видно из рисунка, отношение максимального расхода к минимальному изменилось с 6:1 до 2,5:1.

Рис. 9.2 - Почасовой расход воды при включенном ЧРП и без него.

Экономия электроэнергии составила 51%, а экономия воды – 24%. Стоимость сэкономленной воды в 1,6 раз больше, чем стоимость сэкономленной электроэнергии. Дополнительная экономия и воды и электроэнергии возможна за счет снижения давления в магистрали до реально допустимого в ночные часы. Подобные цифры экономии не являются исключением. Как правило, экономия энергии при таком использовании преобразователей составляет 25-60% и выше.

Разработанный в данном дипломном проекте привод насосной установки спроектирован с учетом требований экономии электроэнергии.

9.7. Расчеты экономического эффекта

Вместе с выбором лучших технологических решений при разработке новых систем большое внимание отводится рассмотрения экономического эффекта, который получается в результате этих разработок.

Годовой экономический эффект определяется по формуле:

- летние приведенные затраты по базовому изделию; - летние приведенные затраты по новому изделию; - летний объем производства в расчетном году внедрения новой техники в натуральных единицах:  .

Анализируя полученные результаты, а именно: приведенные затраты, - можно сказать о том, что оптимальным вариантом для проектированной электромеханической системы есть выбранный двигатель, поскольку, прежде всего, есть значительная экономия электроэнергии и снижаются капитальные затраты; сниженные ежегодные эксплуатационные затраты ( в связи с экономной затратой электроэнергии и использованием качественного дорогого оборудования затраты на энергию и ремонт значительно низшие).

Экономический эффект от внедрения станций управления, оснащённых преобразователями частоты, устройствами плавного пуска, а также объединение станций управления в единую систему АСУ ТП, основан на следующих факторах:

1. Прямая экономия от снижения потребления электроэнергии при регулировании производительности насосных агрегатов (для разных объектов от 25 до 50%).

2. Прямая экономия за счёт снижения непроизводительных утечек воды при оптимизации давления в напорном трубопроводе (не менее 25 – 30 % от общего объёма утечек).

3. Экономия фонда заработной платы сокращаемого дежурного персонала.

4. Резкого снижения аварийности на сетях (не менее чем в 5 – 10 раз).

5. Увеличение не менее чем в 3 раза ресурса и межремонтных сроков насосов, электродвигателей, коммутационного оборудования.

6. Снижение затрат на электрическое отопление на объектах, бытовое обеспечение дежурного персонала.

7. Резкого увеличения надёжности системы в целом, за счет устранения «человеческого фактора» и автоматической диагностики системой всех её элементов и своевременного устранения возможных аварийных ситуаций.


10. Охрана труда при эксплуатации системы автоматизации насосной установки станции подкачки жилищного комплекса

Охрана труда - это система правовых, социально-экономических, организационно-технических, санитарно-гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий и средств, направленных на сохранение жизни, здоровья и трудоспособности человека в процессе трудовой деятельности.

Охрана труда в Украине регламентируется следующими нормативно правовыми документами:

—  Конституцией Украины;[1]

—  Закон Украины по охране труда (Закон України про охорону праці)  редакция от 25.06.2011;[2]

—  Типовое положение о порядке проведения обучения и проверки знаний по вопросам охраны труда (Типове положення про порядок проведення  навчання і перевірки знань з питань охорони праці  НПАОП 0.00-4.12-05) редакция от 14.12.2007; 

—  Типовое положение об инструктажах, специальном обучении и проверке знаний по вопросам пожарной безопасности на предприятиях, в учреждениях и организациях Украины (Типове положення про інструктажі, спеціальне навчання та перевірку знань з питань пожежної безпеки на підприємствах, в установах та організаціях України);

—  Типовое положение о службе по охране труда (Типове положення про службу охорони праці);

—  Положение о разработке инструкций по охране труда (Положення про розробку інструкцій з охорони праці НПАОП 00.0-4.15-98);

Другими отраслевыми нормативными документами, касающимися охраны труда.

10.1 Задача в области охраны труда.   

В соответствии с законом «Об охране труда» Украины условия труда на рабочем месте, безопасность технических процессов работы машин, механизмов оборудования и других средств, производства, состоянии средств коллективной и индивидуальной защиты используемых работником, а также санитарно-бытовые условия должны соответствовать требованиям нормативных актов об охране труда.

 Задачей органов охраны труда является разработка организационных и технических мероприятий по обеспечению безопасных и вредных условий труда в конкретных производственных условиях, в данной части проекта разработаны мероприятия по обеспечению условий труда на насосной станции

10.2 Опасные и вредные производственные факторы на насосной станции. 

На персонал насосной станции обслуживающего насосные установки согласно ГОСТ 12.0.003-74 «Классификация опасных и вредных факторов» присутствуют следующие физически вредные и опасные производственные факторы:

  •  повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека;
  •  повышенный уровень вибрации;
  •  повышенный уровень производственного шума;
  •  наличие вредных веществ в воздухе рабочей зоны;
  •  повышенная или пониженная температура воздуха рабочей зоны;
  •  повышенная или пониженная влажность воздуха;
  •  повышенная или пониженная подвижность воздуха;
  •  отсутствие или недостаток естественного света;
  •  недостаточная освещенность рабочей зоны;
  •  повышенная яркость света;
  •  повышенная пульсация светового потока.

Среди опасных и вредных психофизиологических производственных факторов можно выделить нервно-психические перегрузки, из которых можно выделить следующие:

  •  перенапряжение анализаторов;
  •  монотонность труда.

  1.  Вредное воздействие параметров микроклимата.

Вредное воздействие параметров микроклимата проявляется в повышенной или пониженной температуре воздуха рабочей зоны, повышенной или пониженной влажность воздуха, повышенной или пониженной подвижность воздуха.

На состояние человеческого организма большое влияние оказывают метеорологические условия в производственных помещениях. Так, например, температура, влажность, и скорость перемещения воздуха влияют на теплообмен между телом человека и окружающей средой.

Состояние воздушной среды производственного помещения в значительной степени определяет условия труда. Поэтому санитарными правилами обуславливается обеспечение нормальных метеорологических условий.

На рабочем месте оператора, производственная деятельность которого связана с проведением операций по управлению насосами, а также сопряжена с физическим напряжением (перемещение в пространстве, перемещением мелких изделий или предметов при выполнении работ как сидя, так и стоя), характеристику категории работы можно отнести к IIа.

Рекомендуется (ДСН 3.3.6.042-99.Санітарні норми мікроклімату виробничих приміщень) для создания оптимальной работоспособности необходимо соблюдать следующие оптимальные и допустимые параметры микроклимата указанные в таблице 10.1 и 10.2.

Таблица 10.1-Оптимальные нормы микроклимата на рабочем месте оператора

Период года

Категория работ

Температура воздуха, 0С

Относительная влажность воздуха, %

Скорость движения воздуха, м/с

Холодный

IIа

19-21

40-60

0,1

Теплый

20-22

40-60

0,2

Таблица 10.2-Допустимые нормы микроклимата на рабочем месте оператора

Период года

Категория работ

Температура воздуха, 0С

Относительная влажность воздуха, %

Скорость движения воздуха, м/с

Холодный

IIа

17-23

15-75

0,1-0,3

Теплый

18-27

15-75

0,1-0,4

При температурах воздуха 25° C и выше максимальные величины относительной влажности воздуха должны приниматься в соответствии со следующими требованиями:

максимально допустимые величины относительной влажности воздуха не должны выходить за пределы:

70% - при температуре воздуха 25° C;

65% - при температуре воздуха 26° C;

60% - при температуре воздуха 27° C;

55% - при температуре воздуха 28° C.

При температурах воздуха 26 - 28° C скорость движения воздуха в теплый период года должна приниматься в соответствии с следующими требованиями: скорость движения воздуха, для теплого периода года, должна соответствовать диапазону 0,2 - 0,4 м/с - при категории работ IIа.

При обеспечении допустимых величин микроклимата на рабочих местах:

перепад температуры воздуха по высоте должен быть не более 3° C;

перепад температуры воздуха по горизонтали, а также ее изменения в течение смены не должны превышать при категории работ IIа - 5°C .

10.2.2 Отсутствие или недостаток естественного света, недостаточная освещенность рабочей зоны.

Вредное воздействие параметров освещения проявляется в отсутствии или недостатке естественного света, а также недостаточной освещенности рабочей зоны.

Помещения должны иметь как естественное, так и искусственное освещение. Вследствие того, что работа оператора соответствует разряду зрительной работы III б, следует соблюдать следующие требования, предъявляемые рабочему месту.

Естественное освещение осуществляется через светопроемы, обеспечивающие необходимый коэффициент естественной освещенности (КЕО) не ниже 1,2 %.

Искусственное освещение в помещениях должно осуществляться системой равномерного освещения.

В качестве источников света при искусственном освещении применяются преимущественно люминесцентные лампы типа ЛБ.

Освещенность на рабочем месте оператора должна составлять не менее 200 лк при системе общего освещения и не менее 750 лк при системе комбинированного освещения.

Для освещения помещений чаще всего применяются светильники серии ЛП 036 с зеркализованными решетками, укомплектованные высокочастотными пускорегулирующими аппаратами (ВЧ ПРА). Применение светильников без рассеивателей и экранирующих решеток не допускается.

Яркость светильников общего освещения в зоне углов излучения от 50 до 90 градусов с вертикалью в продольной и поперечной плоскостях должна составлять не более 200 кд/м2, а защитный угол светильников должен быть не менее 40 градусов.

Коэффициент запаса (Кз) для осветительных установок общего освещения должен приниматься равным 1,5.

Коэффициент пульсации не должен превышать 15%, что должно обеспечиваться применением газоразрядных ламп в светильниках общего освещения с высокочастотными пускорегулирующими аппаратами (ВЧ ПРА) для любых типов светильников.

При отсутствии светильников с ВЧ ПРА лампы многоламповых светильников или рядом расположенные светильники общего освещения следует включать на разные фазы трехфазной сети.

10.2.3 Повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека.

Требования электробезопасности отображены в ДНАОП 0.00-.131.99, а также необходимо придерживаться Правил устройства электроустановки (ПУЭ), ССБТ (ГОСТ-12.1.006-84, ГОСТ 12.1.019-79, ГОСТ 12.0.030-81, ГОСТ 12,1.045-84), ПТЭ, ПБЭ, ВСН 59-88, «Электрооборудование жилых и общественных зданий. Нормы проектирования», СН357-77 «Инструкция по проектированию силового осветительного оборудование предприятия».

При эксплуатации электрического оборудования необходимо помнить о возможности случайного прикосновения или приближения к токоведущим частям и прикосновения к металлическим нетоковедущим частям, случайно оказавшимся под напряжением, о переходе в трансформаторе высокого напряжения на низкое, о переходе тока низкой частоты в цепь высокой, об образовании электроискр, дуг или о нагреве токоведущих частей.

Электрический ток, проходя через организм, оказывает термическое, электролитическое и биологическое действие. Термическое действие выражается в ожогах отдельных участков тела, нагреве кровеносных сосудов, нервов и других тканей. Электролитическое действие выражается в разложении крови и других органических жидкостей, что вызывает значительные нарушения их физико-химических составов. Биологическое действие является особым специфическим процессом, свойственным лишь живой материи. Оно выражается в раздражении и возбуждении живых тканей организма, а также в нарушении внутренних биоэлектрических процессов, протекающих в нормально действующем организме и теснейшим образом связанных с его жизненными функциями. В результате могут возникнуть различные нарушения в организме, в том числе нарушение и даже полное прекращение деятельности органов дыхания и кровообращения. Раздражающее действие тока на ткани организма может быть прямым, когда ток проходит непосредственно по этим тканям, и рефлекторным, т.е. через центральную нервную систему, когда путь тока лежит вне этих тканей.

10.2.4 Защита от воздействия повышенного уровня вибрации.

Причиной вибрации являются возникающие при работе машин и агрегатов неуравновешенные силовые воздействия. Их источниками могут быть возвратно-поступательные движущиеся системы, неуравновешенные вращающиеся массы, ударные процессы.

Разработка мероприятий по снижению производственных вибраций должна производиться одновременно с решением основной задачи– комплексной механизации и автоматизации производства. Введение дистанционного управления участком позволит полностью решить проблему защиты от вибраций.

Снизить вибрацию можно, снизив или ликвидировав вынуждающую силу. Метод называется «борьба с вибрацией в источнике ее возникновения».

Исключение возможности работы механизма в резонансном режиме также уменьшает вибрацию. Метод называется “отстройка от режима резонанса”.

Вибродемпфирование. Метод основан на превращении энергии механических колебаний данной системы в тепловую, т. Е. увеличении коэффициента демпфирования К.

Виброгашение. Суть метода заключается в присоединении к защищаемому объекту (массе m) дополнительных систем, реакции которых уменьшают вибрации самого объекта.

Чаще всего виброгашение осуществляют путем установки агрегатов на фундаменты. Массу фундамента подбирают таким образом, чтобы амплитуда колебаний подошвы фундамента в любом случае не превышала 0,1 — 0,2 мм, а для особо ответственных сооружений 0,005 мм. Для небольших объектов между основанием и агрегатом устанавливают массивную опорную плиту.

Одним из способов увеличения реактивного сопротивления колебательных систем является установка динамических виброгасителей Наибольшее распространение в машиностроении получили динамические виброгасители, уменьшающие уровень вибраций защищаемого объекта за счет воздействия на него реакций виброгасителя.

Виброгаситель жестко крепится на вибрирующем агрегате, поэтому в нем в каждый момент времени возбуждаются колебания, находящиеся в противофазе с колебаниями агрегата.

Виброизоляция. Этот метод применяют для защиты основания, с которым связан вибрирующий механизм.

Этот способ защиты заключается в уменьшении передачи колебаний от источника возбуждения защищаемому объекту при помощи устройств, помещаемых между ними. Виброизоляция осуществляется введением в колебательную систему дополнительной упругой связи, препятствующей передаче вибраций от машины — источника колебаний к основанию или смежным элементам конструкции; эта упругая связь может также использоваться для ослабления передачи вибраций от основания на человека либо на защищаемый агрегат.

На основании, от которого машина отделена виброизоляцией, действует переменная вынуждающая сила Fm осн. Эффективность виброизоляции определяют коэффициентом передачи (КП), который имеет физический смысл отношения амплитуды виброперемещения, виброскорости, виброускорения защищаемого объекта или действующей на него силы к амплитуде той же величины источника возбуждения при гармонической вибрации.

Параметры общей и локальной вибрации регламентируются ДСН 3.3.6.039-99 - Державні санітарні норми виробничої загальної та локальної вібрації.

10.2.5 Защита от повышенного воздействия производственного шума.

Шум – нежелательные для человека звуки.

В качестве звука человек воспринимает упругие колебания, распространяющиеся в среде, которая может быть твердой, жидкой или газообразной. В зависимости от источника, генерирующего колебания, различают шумы механического, аэродинамического и электромагнитного происхождения.

Шум возникает вследствие упругих колебаний как машины в целом, так и отдельных ее деталей. Причины возникновения этих колебаний – механические, аэродинамические, гидродинамические и электрические явления, определяемые конструкцией и характером работы машины, а также неточностями, допущенными при ее изготовлении, и, наконец, условиями эксплуатации. В связи с этим различают шумы механического, аэродинамического, гидродинамического и электромагнитного происхождения.

Основными источниками шума, происхождение которого не связано непосредственно с технологическими операциями, выполняемыми машиной, являются прежде всего подшипники качения и зубчатые передачи, а также неуравновешенные вращающиеся части машины.

Шум уровня до 65 дБ вызывает раздражение, носящее лишь психологический характер. Особенно отрицательно такой шум сказывается при умственной работе. Зачастую такой шум, производимый самим человеком, не беспокоит его, в то время как посторонний вызывает раздражение.

При уровне шума 65 – 85 дБ возможно его физиологическое воздействие. Через волокна слуховых нервов раздражение шумом передается в центральную и вегетативную нервные системы, а через них воздействует на внутренние органы, приводя к изменениям в функциональном состоянии организма, влияет на психическое состояние человека. Так, при указанном уровне шума, пульс и давление крови повышаются, сосуды сужаются, что снижает снабжение организма кровью, и человек быстрее устает. Установлено, что при работах, требующих внимания, при увеличении уровня шума с 65 до 85 дБ имеет место снижение производительности труда на 30 %.

Воздействие шума уровнем 85 дБ и выше приводит к нарушениям органов слуха. Риск потери слуха у работающих при шуме 85 дБ составляет 3%, при 90 дБ – 10 %, при 100 дБ – 29 %. Кроме того, усиливается влияние шума на систему кровообращения, ухудшается деятельность желудка и кишечника, появляются ощущения тошноты, головная боль и шум в ушах.

У работающих в шумных цехах через 10 – 12 лет развивается гипертония, а у работающих при импульсном шуме признаки гипертонии появляются уже через 2 – 3 года.

Для снижения шума существуют следующие методы: снижение шума в источнике; изменение направленности излучения; рациональная планировка предприятий и цехов; уменьшение шума на пути его распространения; акустическая обработка помещений.

Необходимо отметить, что проведение многих мероприятий по борьбе с вибрациями дает одновременно и снижение шума. Для уменьшения механического шума необходимо:

по возможности заменять зубчатые и цепные передачи клиноременными и зубчато-ременными, например, зубчатую передачу на клиноременную, что снижает шум на 10 – 14дБ;

заменять, когда это возможно, подшипники качения на подшипники скольжения; это снижает шум на 10—15дБ;

при выборе металла для изготовления деталей необходимо учитывать, что внутреннее трение в различных металлах неодинаково, а следовательно, различна звучность; например, обычная углеродистая сталь, легированная сталь являются более звучными, чем чугун; большим трением обладают после закалки сплавы из марганца с 15 – 20 % меди и магниевые сплавы; детали из них при ударах звучат глухо и ослабление; хромирование стальных деталей, например турбинных лопаток, уменьшает их звучность; при увеличении температуры металлов на 100 – 150 °С они становятся менее звучными;

более широко применять принудительное смазывание трущихся поверхностей в сочленениях;

применять балансировку вращающихся элементов машин;

использовать прокладочные материалы и упругие вставки в соединениях, чтобы исключить или уменьшить передачи колебаний от одной детали или части агрегата к другой.

При распространении шума по трубопроводам, воздуховодам, каналам, через технологические отверстия в звукоизолирующих конструкциях широко применяют глушители.

Глушители шума должны преграждать путь шуму, не препятствуя в то же время перемещению рабочей среды. Это требование во многом определяет выбор возможной конструкции глушителя.

Глушители бывают абсорбционными, реактивными и комбинированными.

На рабочих местах, где не удается добиться снижения шума до допустимых уровней техническими средствами, следует применять средства индивидуальной защиты от шума (СИЗ).

Назначение СИЗ – перекрыть наиболее чувствительный канал проникновения звука в организм – ухо. Применение СИЗ позволяет предупредить расстройство не только органов слуха, но и всей нервной системы от действия раздражителя. Эффективность СИЗ особенно велика в области высоких частот, наиболее вредных и неприятных для человека.

Все средства СИЗ подразделяются на наушники, вкладыши (многократного и однократного действия), шлемы.

Наушники выполняются из звукопоглощающих материалов, плотно облегают ушную раковину и удерживаются дугообразной пружиной.

Вкладыши – это элементы, вставляемые в слуховой канал. Вкладыши бывают мягкими и выполняются из ультратонкого волокна, иногда с пропиткой смесью воска и парафина, или жесткими, изготовленными из эбонита или резины.

Шлемы облегают голову и применяются для защиты человека от особо интенсивного шума, когда он воспринимается не только органами слуха, но и проникает в организм вследствие костной проводимости через кости черепа.

Уровни звукового давления в октановых полосах частот, уровни звука и эквивалентные уровни звука определены в ДСН 3.3.6.037-99.Санітарні норми виробничого шуму, ультразвуку та інфразвуку.

10.2.6 Наличие в воздухе рабочей зоны вредных вешеств, превышающих предельно-допустимую концентрацию.

Требуемое состояние воздуха рабочей зоны может быть обеспечено выполнением определенных мероприятий, к основным из которых относятся:

1. Механизация и автоматизация производственных процессов, дистанционное управление ими. Автоматизация процессов, не только повышает производительность, но и улучшает условия труда, поскольку рабочие выводятся из опасной зоны.

2. Применение технологических процессов и оборудования, исключающих образование вредных веществ или попадание их в рабочую зону. Большое значение для оздоровления воздушной среды имеет надежная герметизация оборудования, в котором находятся вредные вещества.

3. Защита от источников тепловых излучений. Это важно для снижения температуры воздуха в помещении и теплового облучения работающих.

4. Устройство вентиляции и отопления, что имеет большое значение для оздоровления воздушной среды в производственных помещениях.

5. Применение средств индивидуальной защиты.

10.2.7 Организация рабочего оператора насосной станции.

Для работающих, участвующих в технологическом процессе по обслуживанию и наблюдению за работой насосной установки, должны быть обеспечены удобные рабочие места, не стесняющие их действий во время выполнения работы. На рабочих местах должна быть предусмотрена площадь, на которой размещаются необходимые устройства для управления и контроля за ходом технологического процесса, а также средства сигнализации и оповещения о аварийных ситуациях.

Насосная станция – это замкнутое помещение, в котором необходимо создать условия для работы обслуживающего персонала. Насосы с их приводами являются сильными источниками тепла в помещении. В проекте необходимо реализовывать вентиляцию на основании опыта уже устроенных систем вентиляции на уже существующих насосных станциях.

Пуск насосов производится при открытых задвижках на напорном водопроводе.

Обслуживание насосов и задвижек производятся с пола.

Сбор дренажных вод принят через трап в бытовую канализацию насосной станции.

В качестве меры защиты от гидравлического удара, вызываемого внезапным выключением насосов, необходимо предусмотреть установку клапана гасителя в первом колодце на напорном водопроводе.

Вокруг здания насосной станции должна быть предусмотрена зона санитарной охраны, огражденная забором и озелененная.

Граница зоны предусматривается на расстоянии 15 м в соответствии со СниП 2.04.02-84.

Работа насосов полностью автоматизирована в зависимости от давления в сети.

Работа по давлению в сети возможна:

На закрытую сеть, оборудованную компенсирующими устройствами;

В регулирующую емкость (резервуар), при этом емкости должны быть оборудованы автоматическими клапанами или электрофицированными задвижками.

При аварийном отключении рабочего насоса предусмотрено автоматическое включение резервного насоса.

Для автоматизации насосных агрегатов используется комплектная аппаратура. Она обеспечивает контроль за давлением в сети, за состоянием линий управления и сигнализации. Аппаратура позволяет дежурному персоналу осуществлять контроль за наличием воды в емкостях и работой насосных агрегатов.

В автоматическом режиме процессы управления всеми агрегатами осуществляются в установленной последовательности без участия обслуживающего персонала, роль которого при этом сводится к налаживания, периодическому осмотру и наблюдению за состоянием аппаратуры и оборудования в процессе эксплуатации.

Рабочее место оператора для обеспечения производственной деятельности оборудуется креслом (стулом, сиденьем) с регулируемыми наклоном спинки и высотой сиденья. Эргономические требования при выполнении работ сидя и стоя приведены в ГОСТ 12.2.032-78, ГОСТ 12.2.033-78.

10.2.8 Меры по снижению и устранению опасных и вредных факторов на рабочем месте оператора насосных установок.

Важным элементом предотвращения неблагоприятного воздействия на человека вредных факторов, сопровождающих работы по проведению лабораторных измерений является соблюдение соответствующих санитарно-гигиенических требований при обеспечении безопасных условий труда на данных рабочих мест, в том числе проектированию, строительству и реконструкции помещений, предназначенных для эксплуатации такого рода оборудования.

Для нормализации параметров освещенности необходимо четкое соблюдение требований СНиП 23.05-95.

К производственному освещению для создания наилучших условий для видения предъявляются следующие требования:

  •  Освещенность на рабочем месте должна соответствовать характеру зрительной работы (определяемому по объекту различения, фону, контрасту объекта с фоном). Увеличение освещенности рабочей поверхности улучшает видимость объектов за счет повышения их яркости, увеличивает скорость различения деталей, что сказывается на росте производительности труда, однако имеется предел, при котором дальнейшее увеличение освещенности почти не дает эффекта, поэтому необходимо улучшать качественные характеристики освещения.
  •  Необходимо обеспечить достаточно равномерное распределение яркости на рабочей поверхности, а также в пределах окружающего пространства.
  •  На рабочей поверхности не должны присутствовать резкие тени.
  •  Необходимо также выбирать правильный спектральный состав света, т.е. со спектральной характеристикой близкой к солнечной.
  •  Все элементы осветительных установок (светильники, осветительные сети и т.п.) должны быть достаточно долговечными, электробезопасными, а также не должны быть причиной возникновения пожара или взрыва.

Тщательный и регулярный уход за установками естественного и искусственного освещения имеет важное значение для создания рациональных условий освещения, в частности, для создания требуемых величин освещенности без дополнительных затрат электроэнергии.

В установках с люминесцентными лампами необходимо следить за исправностью схем включения (не должно быть видимых глазу миганий ламп), а также пускорегулирующих аппаратов, о неисправности которых, например, можно судить по значительному шуму дросселей.

Чистка стекол световых проемов должна проводится не реже 2 раз в год для помещений с незначительным выделением пыли, а для светильников 4-12 раз в год, в зависимости от характера запыленности производственного помещения.

Особое внимание следует обращать на проведение мероприятий по оздоровлению воздушной среды, так как их соблюдение является одним из необходимых условий здорового и производительного труда.

Требуемое состояние воздуха рабочей зоны может быть обеспечено выполнением определенных мероприятий, к основным из которых относятся:

  •  Механизация и автоматизация производственных процессов, дистанционное управление ими. Эти мероприятия имеют большое значение для защиты от воздействия вредных веществ. Автоматизация процессов, сопровождающихся выделением вредных веществ, не только повышает производительность, но и улучшает условия труда, поскольку рабочие выводятся из опасной зоны.
  •  Применение технологических процессов и оборудования, исключающих образование вредных веществ или попадание их в рабочую зону.
  •  Защита от источников тепловых излучений. Это важно для снижения температуры воздуха в помещении и теплового облучения работников.
  •  Устройство вентиляции и отопления, что имеет большое значение для оздоровления воздушной среды в производственных помещениях.
  •  Применение средств индивидуальной защиты.

Наиболее большое внимание необходимо уделять вопросам электробезопасности.

Основными мерами защиты от поражения током являются:

  •  Обеспечение недоступности токоведущих частей, находящихся под напряжением, для случайного соприкосновения;
  •  Электрическое разделение сети;
  •  Устранение опасности поражения при появлении напряжения на корпусах, кожухах и других частях электрооборудования, что достигается применением малых напряжений, использованием двойной изоляции, выравниванием потенциала, защитным заземлением, занулением, защитным отключением и др.;
  •  Применение специальных электрозащитных средств – переносных приборов и приспособлений;
  •  Организация безопасной эксплуатации электроустановок.

Проведем расчеты опасных и вредных производственных факторов присутствующих на рабочем месте машиниста насосных установок.

Обслуживание насосных блоков характеризуется своим комплексом опасных и вредных производственных факторов. Опасными и вредными производственными факторами при обслуживании насосов являются выделения в воздух рабочей зоны вредных веществ, повышенный уровень шума и вибрации, возможные нарушения герметичности систем, находящихся под давлением, повышенное напряжение в электрических сетях, движущиеся машины и механизмы, подвижные части оборудования, недостаточная освещенность рабочей зоны; наличие прямой и отраженной блескости, повышенная пульсация светового потока.

Для работы сидя рабочее место машиниста должно иметь кресло (стул, сиденье) с регулируемыми наклоном спинки и высотой сиденья. Эргономические требования при выполнении работ сидя и стоя приведены в ГОСТ 12.2.032-78, ГОСТ 12.2.033-78.

10.3 Требования безопасности при эксплуатации и ремонте насосной станции

Инструкция по технике безопасности и охране труда составляется на основании правил и положений, утвержденных соответствующим министерством. Все инструкции подписываются начальником цеха и утверждаются главным инженером. В каждой инструкции приводится перечень тех должностных лиц, для которых знание данной инструкции и сдача по ней проверочных экзаменов обязательны.

• эксплуатацию электроустановок насосных станций следует осуществлять согласно требованиям правил по охране труда при эксплуатации электроустановок.

• персонал, обслуживающий электроустановки насосных станций, должен иметь соответствующую труппу по электробезопасности.

• при эксплуатации насосной станции работники обязаны:

а. обеспечить наблюдение и контроль над состоянием и режимом работы насосанных агрегатов, коммуникаций и вспомогательного оборудования в соответствии с инструкциями по их эксплуатации;

б. проводить осмотры и ремонт оборудования в установленные сроки;

в. поддерживать надлежащие санитарное состояние в помещении;

г. вести систематический учет отработанных часов агрегатами и производить записи в журналах эксплуатации или на компьютерных носителях;

• дежурные работники должны немедленно остановить неисправный агрегат и запустить резервный при появлении в насосном агрегате неисправностей.

• запрещается снимать предохранительные кожухи и др. защитные устройства во время работы насосных установок, подогревать маслопроводную систему открытым огнем.

• работники, обслуживающие насосные станции должны быть обеспечены средствами индивидуальной защиты.

• при сменной работе работник может закончить работу не ранее того, сменщик примет от него обслуживание насосными агрегатами.

• прием-сдача смены дежурными работниками осуществляется по графику, утвержденному руководителем, ответственным за эксплуатацию насосных станций, с записью о выполненной работе в журнале сдачи смен. Изменения в графике разрешаются только руководителем, утвердившим график.

10.4 Обеспечение пожарной безопасности .

Пожарная защита – это комплекс организационных и технических средств, направленных на предотвращение воздействий на любой из опасных факторов пожара и ограничение материального ущерба от него.

Требование определены в «Правилах пожарной безопасности в Украине» НАПБ А.01.001-2004, а также ДНАОП 0.01-1.01-95, к способам обеспечения пожарной безопасности, системы предотвращения пожаров: предотвращение пожара должно достигаться предотвращением образования горючей среды и предотвращением образования в горючей среде источников зажигания.

Требования к способам обеспечения пожарной безопасности системы противопожарной защиты:

  •  противопожарная защита в проекте достигается применением автоматических установок пожарной сигнализации и пожаротушения;
  •  организация с помощью технических средств, включая автоматические своевременного оповещения и эвакуации людей;
  •  ограничения распространения пожара за пределы очага достигается установлением предельно допустимых по технико-экономическим расчетам площадей, противопожарных отсеков, секций, а также этажности зданий и сооружений, но не более определенных норм;
  •  в зданиях и сооружениях предусматривают технические средства (лестничные клетки, противопожарные стены, наружные пожарные лестницы, аварийные люки), имеющие место устанавливать при пожаре и огнеопасности конструкций.
  •  Пожары могут возникнуть от электроустановок, в которых присутствуют нагревающиеся проводники электрического тока и горючее вещество (изоляция этих проводников). При коротких замыканиях электрические проводники быстро разогреваются до высоких температур.
  •  Во избежание возникновения пожаров курить разрешается только в специально отведенных местах.

Предусматриваемые при проектировании зданий и установок противопожарные мероприятия зависят прежде всего от пожарной или взрывной опасности размещенных в них производств и отдельных помещений. Помещения и здания в целом делятся по степени пожаро- или взрывоопасности на пять категорий в соответствии с НАПБ Б.07.005–86 "Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности" ОНТП 24–86.

Категория А - это помещения, в которых применяются легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки паров 28oС и ниже или горючие газы в таком количестве, что они могут образовать взрывоопасную смесь с воздухом, при взрыве которой создастся давление более 5 кПа (например, склады бензина).

Категория Б - это помещения, в которых выделяются переходящие во взвешенное состояние горючие волокна или пыль, а также легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки паров более 28oС в таком количестве, что образуемая ими с воздухом смесь при взрыве может создать давление более 5 кПа (цеха приготовления сенной муки, выбойные и размольные отделения мельниц и крупорушек, мазутное хозяйство электростанций и котельных).

Категория В - это помещения, в которых обрабатывают или хранят твердые горючие вещества, в том числе выделяющие пыль или волокна, неспособные создавать взрывоопасные смеси с воздухом, а также горючие жидкости (лесопильные, столярные и комбикормовые цехи; цехи первичной сухой обработки льна, хлопка; кормокухни, зерноочистительные отделения мельниц; закрытые склады угля, склады топливно-смазочных материалов без бензина; электрические РУ или подстанции с трансформаторами).

Категория Г - это помещения, в которых сжигают топливо, в том числе газ, или обрабатывают несгораемые вещества в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии (котельные, кузницы, машинные залы дизельных электростанций).

Категория Д - это помещения, в которых негорючие вещества находятся в практически холодном состоянии (насосные оросительные станции; теплицы, кроме отапливаемых газом, цехи по переработке овощей, молока, рыбы, мяса).

Категории производств по пожарной опасности в большой степени определяют требования к конструктивным и планировочным решениям зданий и сооружений, а также другим вопросам обеспечения пожаро- и взрывобезопасности. Они отвечают нормам технологического проектирования или специальным перечням, утверждаемым министерствами (ведомствами). Руководством при этом могут служить Правила установки электроустановок (ПУЭ - 84) и ДНАОП 0.00 – 1.32.01 Правила будови електроустановок. Електрообладнання спеціальних установок.

Условия возникновения пожара в зданиях и сооружениях во многом определяются степенью их огнестойкости (способность здания или сооружения в целом сопротивляться разрушению при пожаре). Здания и сооружения по степени огнестойкости согласно СниП 2.01.02-85 подразделяются на пять степеней (I, II, III, IV и V). Степень огнестойкости здания (сооружения) зависит от возгораемости и огнестойкости основных строительных конструкций и от распространения огня по этим конструкциям.

По возгораемости строительные конструкции подразделяются на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые конструкции выполнены из несгораемых материалов, трудносгораемые - из трудносгораемых или из сгораемых, защищенных от огня и высоких температур несгораемыми материалами (например, противопожарная дверь, выполненная из дерева и покрытая листовым асбестом и кровельной сталью).

Огнестойкость строительных конструкций характеризуется их пределом огнестойкости, под которым понимают время в часах, по истечении которого они теряют несущую или ограждающую способность, т. е. не могут выполнять свои обычные эксплуатационные функции.

Согласно классификации производства по пожарной опасности (ППБ-03) насосная станции относится к категории Д.

10.5 Меры по обеспечению электробезопасности электорооборудования в условиях повышенной влажности.

Для защиты работающих от опасности поражения электрическим током при переходе напряжения на металлические нетоковедущие части (например, при коротком замыкании), нормально не находящиеся под напряжением, применяют защитное заземление. Защитное заземление -преднамеренное соединение нетоковедущих частей электрооборудования, которые могут случайно оказаться под напряжением, с заземляющим устройством.

Защитное заземление представляет собой систему металлических заземлителей, помещенных в землю и электрически соединенных специальными проводами с металлическими частями электрооборудования, нормально не находящимися под напряжением.

Защитное заземление эффективно защищает человека от опасности поражения электрическим током в сетях напряжения до 1000 В с изолированной нейтралью и в сетях напряжением выше 1000 В - с любым режимом нейтрали.

10.5.1 Устройство заземления

Заземление устроено в соответствии с требованиями ПУЭ-2009, СНиП-Ш-33-76 и инструкции по устройству сетей заземления и зануления в электроустановках (СН 102-76).

Заземление следует выполнять:

а)при напряжениях переменного тока 380 В и выше и постоянного
тока 440 В и выше во всех электроустановках;

б)при напряжениях переменного тока выше 42 В и постоянного тока выше 110 В только в электроустановках, размещенных в помещениях с повышенной опасностью и в особо опасных, а также в наружных установках;

в)при любом напряжении переменного тока и постоянного тока во
взрывоопасных установках;

Заземлители могут быть использованы как естественные, так и искусственные. Причём, если естественные заземлители имеют сопротивление растеканию, удовлетворяющие требованиям ПУЭ-2009, то устройство искусственным заземлителями не требуется.

В качестве естественных заземлителей могут быть использованы:

а) проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубопроводы, за исключением трубопроводов горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, горючих или взрывчатых газов и смесей;

б) обсадные трубы, металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в непосредственном соприкосновении с землёй;

в) свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле и т.д.

В качестве искусственных заземлителей чаще всего применяют угловую сталь 60x60 мм, стальные трубы диаметром 35-60 мм и стальные шины сечением не менее 100 мм2 .

Рис. 10.1 -Установка вертикального заземлителя в траншее.

Стержни длиной 2,5...3м погружаются (забиваются) в грунт вертикально в специально подготовленной траншее (рис.10.1 ).

Вертикальные заземлители соединяются стальной полосой, которая приваривается к каждому заземлителю.

По расположению заземлителей относительно заземляемого оборудования системы заземления делят на выносное и контурное.

Выносное заземление оборудования показано на рис.10.2. При выносной системе заземления заземлители располагаются на некотором удалении от заземляемого оборудования. Поэтому заземленное оборудование находится вне поля растекания тока и человек, касаясь его, окажется под полным напряжением относительно земли

Выносное заземление защищает только за счёт малого сопротивления грунта.

Рис. 10.2 - Схема выносного заземления:

1 - заземляемое оборудование; 2 - заземлители

Контурное заземление показано на рис. 10.3. Заземлители располагаются по контуру заземляемого оборудования на небольшом (несколько метров) расстоянии друг от друга. В данном случае поля растекания заземлителей накладываются, и любая точка поверхности земли внутри контура имеет значительный потенциал. Напряжение прикосновения будет меньше, чем при выносном заземлении.

Где  потенциал земли.

Рис. 10.3 - Схема контурного заземления.

10.5.2 Нормирование параметров защитного заземления

Защитное заземление предназначено для обеспечения безопасности человека при прикосновении к нетоковедущим частям оборудования, случайно оказавшимся под напряжением, и при воздействии напряжения шага. Эти величины не должны превосходить длительно допустимых.

В ПУЭ нормируются сопротивления заземления в зависимости от напряжения электроустановок.

В электроустановках напряжением до 1000 В сопротивление заземляющего устройства должно быть не выше 4 Ом; если же суммарная мощность источников не превышает 100 кВА, сопротивление заземления должно быть не более 10 Ом.

В электроустановках 1000 В с током замыкания 500 А допускается сопротивление заземления  но не более 10 Ом.

Если заземляющее устройство используется одновременно для электроустановок напряжением до 1000 В и выше 1000 В, то но не выше нормы электроустановки (4 или 10 Ом). В электроустановках с токами замыкания 500 A, O,5 Ом.

10.5.3 Расчет заземления

Расчет заземления сводится к определению числа заземлителей и длины соединительной полосы исходя из допустимого сопротивления заземления.

Таблица 10.3 - Исходные данные

Вид заземления

контурное

Длина заземлителя l, м

2,7

Глубина заложения заземлителя в грунт h, м

0,65

Коэффициент сезонности Kc

2,0

Удельное сопротивление грунта ρ , Ом∙м

70

Диаметр заземлителя d, мм

55

Ширина соединительное полосы b, мм

50

Допускаемое сопротивление системы заземления по ПУЭ RЭ.Н. ,Ом

4

  1.  В качестве заземлителя выбираем стальную трубу диаметром , а в качестве соединительного элемента – стальную полосу шириной .
  2.  Выбираем значение удельного сопротивления грунта соответствующее или близкое по значению удельному сопротивлению грунта в заданном районе размещения проектируемой установки.
  3.  Определяем значение электрического сопротивления растеканию тока в землю с одиночного заземлителя

где  - удельное сопротивление грунта,

- коэффициент сезонности,

- длина заземлителя,

- диаметр заземлителя,

- расстояние от поверхности грунта до середины заземлителя.

  1.  Рассчитываем число заземлителей без учета взаимных помех, оказываемых заземлителями друг на друга, так называемого явления взаимного “экранирования”

10.

  1.  Рассчитываем число заземлителей с учетом коэффициента экранирования

≈ 18

где  - коэффициент экранирования (прил., табл.1.).

Принимаем расстояние между заземлителями

  1.  Определяем длину соединительной полосы

  1.  Рассчитываем полное значение сопротивления растеканию тока с соединительной полосы

  1.  Рассчитываем полное значение сопротивления системы заземления

где =0.51 - коэффициент экранирования полосы (прил., табл.2.).

Вывод

Сопротивление Rзу = 2,82 Ом меньше допускаемого сопротивления, равного 4 Ом. Следовательно, диаметр заземлителя d = 55 мм при числе заземлителей n= 18 является достаточным для обеспечения защиты при контурной схеме расположения заземлителей.

Рис. 10.4 - Схема полученного контурного заземления.

Рис. 10.5 - Схема расположения заземлителей.


Вывод

 

В дипломном проекте разработана система автоматизации насосной установки станции подкачки воды жилищного комплекса. Система разработана на базе регулированого асинхронного электропривода с частотным управлением.

Исходя из заданных величин давления и затраты воды, была рассчитана мощность электродвигателя насоса и выбранны двигатель типа 5АМ280S4 У3 и частотный преобразователь типа 3G3HV-B11K японской фирмы OMRON.

Синтезированная одноконтурная система управления с ПИД регулятором давления.

Методом цифрового моделирования в программном пакете Matlab проведено исследования динамических режимов САК.

Техническая реализация разработанной системы управления выполнена на базе частотного преобразователя 3G3HV-B11K.

Результаты моделирования показали, что разработанная система обеспечивает заданные характеристики стабилизации давления воды при изменении затрат воды.

Изложенное выше разрешает сделать вывод, что задание на дипломный проект выполнено. Спроектированный электропривод удовлетворяет требованиям электроприводов насосных установок по качеству переходных процессов и быстродействию.


Список используемых
Источников

Лобачев П. В. Насосы и насосные станции. М.: Стройиздат. 1990.

СНиП 2.04.02-84: Насосные станции. Электрооборудование, технологический контроль, автоматизация и системы управления.

Попкович Г. С., Гордеев М. А. Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения. М.: Высш. шк. 1986

Лезнев Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках. М.: ИК «Ягорба»-Биоинформсервис, 1998.

Возможности использования современного регулируемого электропривода в системах водоснабжения. //www.privod.ru 

Дмитриенко Ю. А. Регулируемый электропривод насосных агрегатов. Кишинев: Штиинца, 1985.

Преобразователь частоты с многомоторной функцией управления.// www.privod.ru 

Башарин А. В., Новиков В. А., Соколовский Г. Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоиздат. Леиннгр. отд-ние, 1982. — 392 с, ил.

Регулируемый электропривод в насосных установках.// www.privod.ru  

Каталог продукции ОАО «ВЛАДИМИРСКИЙ ЭЛЕКТРОМОТОРНЫЙ ЗАВОД».//  www.электродвигатель.net.

ОАО "Ливгидромаш" НАСОСЫ ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ ДВУСТОРОННЕГО ВХОДА ТИПА Д И АГРЕГАТЫ ЭЛЕКТРОНАСОСНЫЕ НА ИХ ОСНОВЕ Руководство по эксплуатации Н03.3.302.00.00.000 РЭ

 Частотные преобразователи OMRON серии SYSDRIVE 3G3HV //www.omron.ru

 Датчики давления Метран-100// www.metran.com

 Коренькова Т.В., Михайличенко Д.А., и др. Исследование системы ПЧ-АД-Насос-Гидросеть. Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. Випуск 2/2003(19), с. 377.

 Н.Г. Попович, Н.Г. Борисюк и др. «Теория электропривода» — К.:Выща шк., 1993.494с.: ил

 Москаленко В. В. Электрический привод: Учебн. для электротехн. спец. техн. -М.: Высш. шк., 1991. -430 с: ил.

 Асинхронные электродвигатели// www.privod.ru/engines

Справочник по проектированию электрических сетей и электрооборудования / под ред. В.И. Круповича, Ю.Г. Барыбина, М.Л. Самовера. – М.: Энергоиздат, 1981.

Справочник по автоматизированному электроприводу. Под ред. В.А.Елисеева и А.В.Шинянского. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – с.

Паспорт задвижки клиновой с выдвижным шпинделем

ПТ 13070-150-ПС-12.

Онищенко Г. Б., Юньков М. Г. Электропривод турбомеханизмов. М, «Энергия», 1972, 240с.

22. Основи охорони праці: Підручник. 2-ге видання / К.Н.Ткачук, М.О.Халімовський, В.В.Зацарний та ін. – К.: Основа, 2006 – 448 с.

23. Жидецький В.Ц. Основи охорони праці. Підручник –– Львів: УАД, 2006 – 336 с.

24. Жидецький В.Ц., Джигирей В.С., Сторожук В.М. та ін. Практикум із охорони праці. Навч. посібник / За ред. Жидецького В.Ц. – Львів: Афіша, 2000. – 352 с.

25. Купчик М.П., Гандзюк М.П., Степанець І.Ф. та ін. Основи охорони праці. – К: Основа, 2000. – 416 с.

26. Трахтенберг І.М., Коршун М.М., Чебанова О.В. Гігієна праці та виробнича санітарія. – К.: 1997. – 464 с.

27. Денисенко Г.Ф. Охрана труда: Учебное пособие – М.: Высш. шк., 1985. – 319 с.

28. Даценко І.І., Габович Р.Д. Профілактична медицина. Загальна медицина з основами гігієни. – К.: Здоров’я, 1999. – 694 с.

29 .Даценко І.І. Екологія та гігієна людини. Навч. посібник. – Львів: Афіша, 2000.–248 с.

30. Розрахунок заземлюючих пристроїв системи ІТ, ТТ та TN виробничих електроустановок/ Укл. Р.В.Сабарно, О.І.Полукаров.– К.: НТУУ”КПІ”,2008.– 42с.

31. Захист від магнітних полів промислової частоти. Методичні вказівки до практичного заняття / Укл. Р.В.Сабарно, О.І. Полукаров та ін.– ННДІПБОП, 2008.– 28с.

32. Конституція України.– К.,1996.– 12с.

33. “Про охорону праці” № 2695-XII від 14.10.1992 в редакції Закону № 229-IV від 21.11.2002

34. “Про загальнообов'язкове державне соціальне страхування  від нещасного випадку на виробництві та професійного захворювання, які спричинили втрату працездатності”

35. “Про пожежну безпеку” № 3745 від 17.12.1993

36. “Про об’єкти підвищеної небезпеки” № 2245-ІІІ від 18.01.2001

37. ДСН 3.3.6.042-99.Санітарні норми мікроклімату виробничих приміщень.– К., МОЗ України, 1993.– 8с.

38. ГОСТ 12.1.005-88.ССБТ.Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху раб очей зоні.– М.: Изд-во стандартов, 1988.– 75с.

39. ДБН В.2.5.-28-2006.Державні будівельні норми України. Природне і штучне освітлення.– К.: Мінбуд. України, 2006.– 76с.

40. ДСН 3.3.6.039-99.Державні санітарні норми виробничої загальної та локальної вібрацій.– К.: МОЗ України, 2000.– 45с.

41. ДСН 3.3.6.037-99.Санітарні норми виробничого шуму, ультразвуку та інфразвуку.– К.: МОЗ України, 2000 – 29с.

42. Правила будови і безпечної експлуатації посудин, що працюють під тиском. – К.,1995.– 200с.

43. Правила побудови і безпечної експлуатації вантажопідіймальних кранів. – К.,1994.– 260с.

44. Правила улаштування електроустановок. Розділ 1 Загальні правила. Гл.1.7 Заземлення і захисні заходи електробезпеки. – К.:ОЕП ”ГРІФЕ”, 2006.– 77с.

45. Правила будови електроустановок. Електрообладнання спеціальних установок. ДНАОП 0.00-1.32-01.– К.: Укрархбудінформ, 2001.– 118с.

46. Правила експлуатації електрозахисних засобів. ДНАОП 1.1.10-1.07-01.– Харьків: ФОРТ, 2001.– 117с.

47. Правила технічної експлуатації електроустановок споживачів. – Харьків: Індустрія, 2007.– 272с.

48. Правила безпечної експлуатації електроустановок споживачів ДНАОП 0.00-1.21-98.– К., 1998.– 380с.

49. Правила пожежної безпеки В Україні(НАПБ А.01.001-95). – К.: Основа, 2002.– 176с.

50. ДСНіП№476. „Захист від ЕМП на виробництві”

51. ДБН В.2.5-13-98 „Системи автоматичної пожежної сигналізації та пожежегасіння”.

52. РД 34.21.122-87 „Інструкція по улаштуванню блискавкозахисту будівель та споруд”.

53. ВСН 1-77 „ Інструкція по проектуванню блискавкозахисту об’єктів”.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22881. Еволюція поняття числа 135 KB
  В основі всіх числових множин лежить натуральний ряд чисел. Відомо що діагональ квадрата в такому випадку рівна Покажемо що не є раціональним числом. Кожне дійсне не раціональне число можна записати у вигляді нескінченного періодичного десяткового дробу. Відрізок ділимо на 10 різних частин за беремо число яке на 1 менше за номер відрізка на якому знаходиться число .
22882. Формула Муавра 74 KB
  Доведемо що формула Муавра вірна для будьяких цілих степенів. Приклад застосування формули Муавра Виразити і через . За формулою Муавра маємо а з іншого боку за формулою Бінома: прирівняємо дійсні та уявні частини:.
22883. Тригонометрична форма комплексного числа 64 KB
  Нехай `відповідає комплексному числу позначимо через довжину вектора а через кут який утворює цей вектор з додатним напрямком осі тоді тригонометрична форма комплексного числа. Назвемо модулем комплексного числа а аргумент комплексного числа якщо то аргумент не визначається. Нехай тоді Для даного комплексного числа його модуль визначається точно а аргумент з точністю до періода.
22884. Корені комплексного числа 114 KB
  Запишемо в тригонометричній формі: тоді за фомулою Муавра маємо: прирівняємо модулі . Розглянемо варіанти: тоді і ; тоді ; тоді ; тоді ; тоді тоді Покажемо що справедлива наступна нерівність: і співпадає з одним із чисел Поділимо на з залишком де і тоді де .
22885. Алгоритм знаходження НСД 71 KB
  Поділимо на з залишком і стст якщо то процес закінчуємо інакше ділимо на при цьому стст якщо то процес закінчуємо інакше лідимо на і так далі. Оскільки на кожному кроці степінь залишку зменшується то за скінченну кількість кроків процес закінчиться.
22886. Теорема про найбільший спільний дільник 149 KB
  Доведення Припустимо і ненульові многочлени. Позначимо через таку множину многочленів зрозуміло що . Якщо і довільний многочлен який не обов’язково належить то і .
22887. Теорема про найбільший спільний дільник (доведення іншим способом) 90 KB
  Нехай і для визначеності стст. Покажемо що стст. Припустимо що стст тоді стстст що неможливо. Нехай і взаємнопрості тоді існують многочлени і такі що причому і можна вибрати так що стст стст.
22888. Схема Горнера та її застосування 109 KB
  Прирівняємо коефіцієнти при відповідних степенях маємо: Приклад застосування.
22889. Незвідні многочлени та основна теорема про подільність многочлена 63 KB
  Аналогічним чином в кільці многочленів є незвідні многочлени . Многочлен є незвідним над полем якщо з того що і слідує що степінь одного із многочленів рівна нулю тобтохоч один із многочленів рівний . Аналогічно основній теоремі арифметики будьякий многочлен відмінний від можна розкласти в добуток незвідних многочленів.