Проекты АСУ технологических процессов и установок коммунального хозяйства с применением частотно-регулируемых приводов

Частотно-регулируемый привод.

Лекция №17

Регулирующие органы дроссельного типа.

Они изменяют расход вещества за счет изменения скорости и площади сечения потока жидкости или газа при прохождении его через дросселирующее устройство, гидравлическое сопротивление которого – переменная величина. Типы дроссельных РО:

– плунжерные – расход регулируется путем изменения площади проходного сечения, образованного парой «седло-затвор», форма затвора подбирается таким образом, чтобы пропускная характеристика F = F (h) была линейна (h – положение штока);

– шланговые – расход регулируется сжиманием гибкого шланга (тип ПШУ-1);

– диафрагмовые – используют гибкие мембраны;

– заслоночные – используют заслонки в виде дисков, вращающихся в сечении трубопровода;

– краны – используют затворы, выполненные в виде цилиндра, усеченного конуса или сферы с проходным отверстием; расход регулируется поворотом затвора на определенный угол;

– задвижки – расход регулируется плоской задвижкой, перемещающейся перпендикулярно оси трубопровода.

Регулирующие клапаны (рис. 1.42 ж и з) отличаются формами плунжера 1 и седла 2. Каждая конструкция характеризуется, прежде всего, зависимостью площади проходного сечения F клапана от положения плунжера. Для тарельчатого клапана, показанного на рис. 1.42 ж, эту характеристику называют конструктивной и рассчитывают. Поворотные заслонки круглой или прямоугольной формы предназначены в основном для регулирования расхода газообразных сред при малых перепадах давления на регулирующем органе.

Рис. 1.43. Регулирующий золотниковый клапан

Работоспособность системы автоматического управления в значительной мере зависит от правильности выбора регулирующего органа. Выбирают конкретный РО по справочникам или каталогам в соответствии с наибольшим значением пропускной способности.

Насос - второй логический шаг развития цивилизации после колеса. В настоящее время насос - самый распространенный механизм после электродвигателя. Взаимоотношения двух самых распространенных в мире механизмов и будем рассматривать применительно к коммунальному хозяйству. Предприятие водоснабжения и канализации - это набор насосных станций для перекачивания потребляемой и потребленной жидкостей, очистных сооружений, где тоже масса насосов и трубопроводной (водопроводной и канализационной сети) сети.

Потребители живут согласно жизненным циклам, это обуславливает циклические – суточные, недельные, месячные и годовые изменения объема потребления и стоков. Запас прочности сетей позволяет жить без какого-либо регулирования, что и происходило в советские времена (в эпоху халявных ресурсов). Требование регулирования насосных агрегатов – это следствие требований ресурсосбережения и логическое следствие – регулирование подводимой к насосному агрегату энергии в соответствии с режимом сети.

Давление в сети превышать нельзя. Если оно низкое, будут звонить старушки, если высокое, то будут лопаться трубы и опять звонить старушки. Давление надо регулировать. Регулировать это означает изменять характеристики сети в соответствии с выбранным параметром. В теории проектировщики не дураки и характеристики сети и насосных агрегатов близки к оптимальным. То есть регулируя (меняя параметры сети) лучше сделать нельзя – куда уж лучше. Можно сделать только хуже. Хуже можно сделать многое – прикрутить задвижку, расточить рабочее колесо насоса, поставить шайбу в поток. Все это приведет к снижению производительности и транспортной способности сети в соответствии с заданными сиюминутными требованиями. При этом электрическое потребление будет оставаться практически неизменным и несоответствующим реальному процессу.

Возникает мысль подводить электричества столько, сколько нужно в данный момент. Но в теории проектировщики не дураки и характеристики сети близки к оптимальным. Надо испортить электрическую сеть! Хуже можно сделать многое – прикрутить задвижку, расточить рабочее колесо насоса, поставить шайбу в поток, следуя водопроводно-электрическому дуализму – снизить напряжение, установить регулировочный реостат (кто не верит, пусть залезет в трамвай). При этом электрическое потребление будет оставаться практически неизменным и несоответствующим реальному процессу.

Можно изменить частоту питающей сети и насосные агрегаты тоже будут изменять производительность. Потреблять будут согласно своей производительности на установленной частоте. Способ не дешёвый, не простой, но самый эффективный. О его достоинствах и принципах реализации написано много.

ЧРП для коммунального хозяйства. На сегодня фактически стандартным ЧРП для ЖКХ можно считать ЧРП фирмы Danfoss VLT 6000.

1. Автоматическая компенсация энергопотребления

2. Встроенный PID регулятор и блок питания датчика

3. Встроенный RS485

4. Встроенный RFI фильтр

5. Функция обогрева двигателя

6. Время уставки интегрирования до трех часов

7. Возможность работать с соединительными кабелями до 300 м

ЧРП со втроенным PID регулятором решает все проблемы, связанные с обеспечением поддержания стабильного заданного давления, потока, температуры или кислорода, при условии установки задатчика в непосредственной близости от устройства. На этом заканчивается первый этап внедрения ЧРП.

Сначала о недостатках.

Слово недостатки плохое, назовем это спецификой. Специфика использования частотно-регулируемого привода (ЧРП) – это возврат в реальный мир, где существует реальная электрическая машина, с потерями, необходимостью охлаждения, конечной электрической прочностью и генератор переменного тока далеко не идеальной формы, с переходными процессами и выбросами напряжения. Если бы в природе не существовало бы ограничений, то и не было бы похмелья (абстинентного синдрома – для любителей наукообразия). Диапазон изменения производительности насосных агрегатов с использованием ЧРП традиционно от 0,6 до 1,0 от номинальной производительности. Поэтому бездумная установка ЧРП, особенно на давно построенных объектах, к удивлению пионеров автоматизации ожидаемых эффектов не дает.

Пионеры со времен Мальчиша-Кибальчиша отличались стойкими убеждениями. Убеждения в сочетании с пробелами в образовании становятся заблуждениями. Устоявшаяся система заблуждений трудно искоренима, повсеместно заменяет инженерное образование и называется мировоззрением.

Любому активному процессу сопутствует появление пены на поверхности. Иногда она видна издалека. Тотальное стремление жить на халяву, прикрываемое лозунгами об энергосбережении и повышении эффективности, вынесло на поверхность не только одиозных личностей, но не менее амбициозные проекты, являющие собой жуткое сочетание качетничества с техническим авантюризмом.

Глобальное заблуждение применительно о ЧРП – если не делать полезной работы, то энергия не расходуется. То есть, если насос крутится на минимальных оборотах и воду в следствии этого не качает, то электроэнергия не расходуется. Неожиданное следствие – на насосе прикрытом задвижкой установка ЧРП не дает экономии так как потребная работа ею (задвижкой) и ограничивается. При этом совершенно не оспаривается факт, что можно вспотеть и ничего не сделать. В этом случае насос надо выключать для получения реальной экономии электроэнергии, но увы - не каждому дано выключить однажды включенное.

Потратил десять лет жизни пытаясь понять, почему в теплосетях так хотят мерить температуру с точностью до 0,01%. Объяснить, что мерить температуру с точностью до 0,01% в диапазоне 100 градусов С можно только с бюджетом Микрософта практически невозможно. Все просто – хотели сделать теплосчетчик, но у расходомера погрешность большая, а мысль глубокая – с погрешностями производятся те же действия, что и с основными величинами, то есть если величины умножаются то и погрешности перемножаются. 5% расходомера на 0,01% термометра – точность обалдеть. А если бы величины надо было делить....

Основные результаты первого этапа внедрения ЧРП.

Первым этапом внедрения ЧРП мы считаем бездумную установку ЧРП на насосные станции второго подъема из расчета один ЧРП на одну станцию и работа по давлению на выходе станции. Эффект нагляден, но как правило ниже ожидаемого, особенно для больших станций (верхняя граница подачи может оказаться чуть выше нижней границы диапазона регулирования).

Второй этап отмечен попыткой использовать знания полученные в начальной школе и выглядит более осмысленным. Это в первую очередь замена насосных агрегатов с последующей установкой ЧРП. Построение многонасосных станций с установкой ЧРП на каждом насосе. Обеспечение их синхронной работы без провалов в диапазоне регулирования. Датчик по прежнему находится на выходе насосной станции. Основная особенность второго этапа – рост капитальных вложений и долговременные экономические эффекты.

Третий этап внедрения ЧРП начнется с понимания того, что энергосбережение – это комплекс мероприятий, в которых ЧРП даже могут и не использоваться. Сливки сняты во время первых двух этапов, очевидные эффекты получены – пора думать. Кое- где даже вспомнили о потребителе, именно он платит за конечную услугу и это его деньги надо делить, пилить,....Потребителя не волнует давление на выходе насосной станции. Все время говорим о давлении воды, но это для наглядности – это слово можно заменить на температуру, подачу и тд. На третьем этапе ЧРП потерял свое значение как самостоятельный продукт и стал одним из многих устройств, призванных решать задачу автоматизации процессов ЖКХ и энергосбережения.

Стремление автоматизировать все, что не нужно привело к тому, что забыты замечательные приборы – устройства плавного пуска. УПП во многих случаях являются отличной альтернативой для ЧРП, тем более, что во многих местах ЧРП просто вредны. Современные УПП представляют высокотехнологичные приборы с интегрированными обходными контакторами, что очень удобно для строительства шкафов управления насосами для различных задач. В самом же названии УПП уже заложено идеологическое заблуждение, говорящее о том, как производители страшно далеки от народа и насосов, которые у народа есть. При работе с насосами, особенно на КНС, работающих на длинную магистраль необходим плавный останов. При этом пуск может быть и прямым, если сеть выдержит (электрическая). Требование плавного останова насоса, особенно для КНС, требует совершенно новых подходов к проектированию и изготовлению станций управления насосами. Необходимо рассчитывать производительность во время останова, изменение уровня на время останова, коррекцию уставок для обеспечения плавного останова и т. д.

Каковы основные тенденции создания АСУ ТП в настоящее время. Широкая доступность разнообразных средств связи и последовательное снижение стоимости трафика передачи данных привели к новым требованиям при построении систем управления. В первую очередь появилось требование дистанционного изменения параметров локальных алгоритмов в соответствии с временем суток,....

С увеличением информационной емкости и дисперсией вычислительной системы появляется требование постоянной адаптации локальных алгоритмов управления в соответствии с целевыми функциями всей управляющей системы. В локальных контурах регулирования ЧРП как правило был основным регулирующим механизмом, а устройство снятия параметров находилось всегда в разумной близости. Применительно к ЧРП основные тенденции развития АСУ можно определить как удаление на значительное расстояние устройство снятия параметра регулирования на значительное расстояние с использованием многообразия средств связи или выработки управляющего воздействия вообще на основе анализа группы параметров, получаемых из разных мест системы.

Процесс внедрения энергосберегающих технологий начался достаточно давно и внедрение только ЧРП более не дает желаемого эффекта, так как диапазон регулирования не всегда удовлетворяет требованиям технологии.

ЧРП перестал быть самостоятельным продуктом, но еще немного может кормить производителя.

На рынок выходит комплексный продукт – система управления, ЧРП и набор агрегатов, подключенных к ЧРП.

Данный раздел посвящён теоретическим аспектам эффективности внедрения систем с частотно-регулируемыми приводами.

Возможность управления частотой вращения короткозамкнутых асинхронных электродвигателей была доказана сразу же после их изобретения. Реализовать эту возможность удалось лишь с появлением силовых полупроводниковых приборов - сначала тирристоров, а позднее транзисторов IGBT. В настоящее время во всём мире широко реализуется способ управления асинхронной машиной, которая сегодня рассматривается не только с точки зрения экономии энергии, но и с точки зрения совершенствования управления технологическим процессом.

В промышленности и быту применяют двигатели переменного и постоянного тока. Исторически сложилось, что для регулирования скорости вращения чаще использовали двигатель постоянного тока. Преобразователь в данном случае регулировал только напряжением, был прост и дешёв. Однако двигатели постоянного тока имеют сложную конструкцию, критичный в эксплуатации щёточный аппарат и сравнительно дороги.

Асинхронные двигатели широко распространены, надёжны, имеют относительно невысокую стоимость, хорошие эксплуатационные качества, но регуляторы скорости их вращения из-за сложности систем электронного регулирования частоты питающего напряжения стоили до начала 80-х годов дорого и не обладали качествами, необходимыми для широкого внедрения в индустрию. Быстрый рост рынка преобразователей частоты для асинхронных двигателей не в последнюю очередь стал возможен в связи с появлением новой элементной базы - силовых модулей на базе IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), рассчитанный на токи до нескольких килоампер, напряжением до нескольких киловольт и имеющих частоту коммутации 30 кГц и выше.

Существует два основных типа преобразователей частоты: с непосредственной связью и с промежуточным контуром постоянного тока. В первом случае выходное напряжение синусоидальной формы формируется из участков синусоид преобразуемого входного напряжения. При этом максимальное значение выходной частоты принципиально не может быть равным частоте питающей сети. Частота на выходе преобразователя этого типа обычно лежит в диапазоне от 0 до 25-33 Гц. Но наибольшее распространение получили преобразователи чатоты с промежуточным контуром постоянного тока, выполненные на базе инвенторов напряжения. Структурная схема такого преобразователя приведена на Рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема преобразователя частоты с промежуточным контуром постоянного тока.