Электрические машины

Некоммерческое

акционерное общество

Кафедра «Электрические машины и электропривод»

ЭЛЕКТРОПРИВОД НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ И

КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ

Методические указания к выполнению лабораторных работ для магистрантов специальности 6M071800 –Электроэнергетика

Алматы 2018

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

СОСТАВИТЕЛИ: М.А. Мустафин., Н.К. Алмуратова, Ю.С.

Проскуряков. Электропривод нефтеперекачивающих и компрессорных станций нефтегазопроводов. Методические указания к выполнению лабораторных работ для магистрантов специальности 6M071800 – Электроэнергетика. – Алматы: АУЭС, 2018. – 47 с.

Методические указания содержат необходимые теоретические сведения о лабораторном стенде, на котором будут проводиться работы, методические указания к проведению работ, программа и порядок выполнения работ, контрольные вопросы. Приведены соответствующие таблицы, где должны фиксироваться результаты расчётов и экспериментов, даны пояснения по реализации каждого пункта задания.

Методические указания предназначены для магистрантов специальности 6M071800 – Электроэнергетика.

Ил. 37, табл.32, библ. – 9 назв.

Рецензент: к.т.н. кафедры ЭСиЭЭС Б.Курпенов

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества

«Алматинский университет энергетики и связи» на 2018 г.

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2018 г

1 Общий порядок выполнения лабораторных работ и техника безопасности

Перед выполнением работ все магистранты должны изучить правила техники безопасности, действующие в лаборатории, в которой проводятся лабораторные работы. Преподавателям рекомендуется подробно ознакомиться с техническим описанием лабораторного стенда, обращая внимание на рекомендации по безопасной эксплуатации стенда, к ним относятся:

1) Диапазоны рабочих токов и напряжений на элементах стенда.

2) Последовательность включения и выключения элементов стенда.

3) Безопасное выполнение оперативных переключений.

Преподаватель проводит инструктаж с магистрантами на каждом занятии.

При подготовке к лабораторной работе магистранту необходимо:

- ознакомиться с ее содержанием и, пользуясь рекомендуемой литературой и конспектом лекций, изучить теоретические положения, на которых базируется работа;

- выполнить предварительные расчеты, составить таблицы, нарисовать схемы, указанные в задании; преподаватель может задать варианты заданий;

- изучить схему лабораторной установки и продумать методику выполнения лабораторной работы;

- ответить на контрольные вопросы.

Перед выполнением каждой лабораторной работы магистранту необходимо подготовиться и получить допуск к выполнению лабораторной работы. Допуск к выполнению базируется на дискуссии по программе и порядку выполнения лабораторной работы.

2 Техническое описание лабораторного стенда насосного агрегата Лабораторный стенд «Исследование системы автоматического управления центробежным насосом» предназначен для исследования электропривода, датчиков технологических процессов, автоматизации технологических процессов и комплексов центробежных механизмов.

Конструкция лабораторного стенда представлена на рисунке 2.1.

1 – металлический каркас; 2 – система труб с врезанными в нее датчиками;

3 – мерный бак; 4 – питательный бак; 5 – насосный агрегат; 6 – регулируемая задвижка с электроприводом; 7 – ультразвуковой расходомер; 8 – датчик

давления; 9 – тахометрический расходомер-счетчик; 10 – узел

автоматизированной системы управления; 11 – шунтирующий шаровой кранэ Рисунок 2.1 – Конструкция лабораторного стенда

Стенд позволяет исследовать:

– напорные и энергетические характеристики насосного агрегата;

– статические и динамические характеристики датчиков различного типа;

– системы регистрации данных расхода и давления;

– технические характеристики и основы программирования логического контроллера S7-1200;

– изучение принципов работы и управления преобразователем частоты на базе ПЧ Control Techniques Unidrive M701;

– систему автоматического регулирования расхода и давления при действии возмущений.

Лабораторный стенд состоит из двух систем: гидравлической и электрической, которые находятся в постоянном взаимодействии.

К гидравлической системе относятся элементы, которые воздействуют на текучую среду так, что свойства каждого элемента оказывают влияние текучей среды во всех элементах системы.

Электрическая система включает в себя все электрическое оборудование, предназначенное для работы функционирования стенда, к

которым можно отнести программируемый логически контроллер, преобразователь интерфейсов Modbus-USB, преобразователь частоты.

Функциональная схема лабораторного стенда представлена на рисунке 2.2.

ПБ – питательный бак; МБ – мерный бак; Н – центробежный насос Lowara CEA70/3/A; Р – датчик давления Овен ПД100; F1 – тахометрический расходомер-счетчик Бетар; F2 – ультразвуковой расходомер US-800;

Задв. – задвижка с электроприводом Danfoss BG024D; ОК – обратный клапан;

К1 – шунтирующий шаровой кран; К2 – шаровой кран для слива жидкости;

ПЛК -программируемый логический контроллер Siemens S7-1200;

Modbus-USB – преобразователь интерфейсов Modbus-USB;

ПЧ – преобразователь частоты фирмы Control Techniques M701;

ПК – персональный компьютер с установленной SCADA-системой.

Рисунок 2.2 – Функциональная схема лабораторного стенда Лабораторный стенд функционально разделен на пять модулей:

- модуль «Питание стенда» (предназначен для безопасного подвода переменного напряжения 380В, 220В и постоянного +24В, +5В на все элементы лабораторного комплекса);

- модуль «Программируемый логический контроллер S7-1200»

(осуществляет функции сбора данных, их обработки и управления устройствами стенда);

- модуль «Измеритель мощности» (предназначен для измерения электрических параметров трехфазной сети переменного тока);

- модуль «Преобразователь частоты» (используется для управления электродвигателем центробежного насоса);

- модуль «Управление и индикация датчиков» (используется для отображения и управления датчиками расхода, давления, скорости вращения

и величины открытия дроссельной задвижки, а также для переключения режимов управления стендом).

В питательном баке (ПБ) находится рабочая жидкость, в данном случае используется обычная вода, которой также заполнен трубопровод.

Перемещение жидкости по трубопроводу обеспечивает центробежный насос (Н), который управляется преобразователем частоты (ПЧ).

В трубопроводе последовательно установлены три датчика:

– датчик давления (P), оснащен универсальным токовым выходом 4- 20мА;

– тахометрический расходомер-счетчик (F1), имеет герконовый датчик;

– ультразвуковой расходомер (F2), снабжен интерфейсом Modbus.

Для регулирования расхода или давления и создания возмущающего воздействия в гидравлической системе размещена задвижка (Задв.) с электроприводом. Для защиты от обратного поступления воды в питательный бак установлен обратный клапан (ОК). Вода после прохождения трубопровода попадает в мерный бак (МБ), а затем обратно в питательный бак. Если проводится измерение расхода объемным методом, то требуется закрыть шунтирующий кран (К1), в остальное время кран должен быть открыт. При необходимости слива жидкости при выключенном электропитании стенда требуется открыть шаровой кран (К2), предварительно подставив под него емкость достаточного объема.

Система автоматизации лабораторным стендом построена на промышленном оборудовании таких фирм как: Siemens, AC Electronix, Control Techniques. В качестве программного обеспечения используется также лицензионное программное обеспечение фирмы Siemens, AC Electronix и Adastra Research, с помощью которого можно создавать свои алгоритмы управления или редактировать базовые программы, а также в режиме мониторинга получать данные с датчиков расхода и давления.

2.1 Центробежный насос Lowara

Насосный агрегат представляет собой одноступенчатый центробежный насос, сцепленный непосредственно с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором закрытой конструкции с внешней вентиляцией.

Конструкция представляет собой моноблочный, одноступенчатый, центробежный насос с осевым всасывающим и радиальным напорным патрубками. На лабораторном стенде данная насосная установка электрически подключается к преобразователю частоты Unidrive M701.

Конструкция насосного агрегата представлены на рисунках 2.3.

1 – корпус насоса; 2 – рабочее колесо; 3 – диффузор; 4 – корпус подшипника;

5 – адаптер; 6 – торцевое уплотнение; 7 – уплотнительные кольца;

8 – Заглушка заливного и сливного отверстий; 9 – установочная гайка для фиксации рабочего колеса, 10 – опорная «лапа».

Рисунок 2.3 – Конструкция насосного агрегата CEA70/3/A

Гидравлические характеристики для насосов серии CEA70-CEA80 при частоте питающей сети 50 Гц и скорости вращения 2850 об/мин представлены на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 – Гидравлические характеристики для насосов серии CEA70- CEA80

Технические данные насосного агрегата приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Технические данные насосного агрегата

Тип насоса CEA70/3/A

Мощность насоса Рнн, кВт 0,37

Тип двигателя SM63BG/304

Мощность асинхронного двигателя активная Рндв, кВт 0,61 Мощность асинхронного двигателя полная Sндв, кВА 0,924

Номинальный ток статора Iн, А 1,45 – Y

2,51 – Δ Номинальное напряжение питания обмотки статора Uн, В

Обмотки статора двигателя собраны в треугольник 3х220

Синхронная скорость вращения n_H, об/мин 3000

Номинальная скорость вращения n, об/мин 2850

Главное индуктивное сопротивление, Xμотн 2,6

Активное сопротивление статора R1отн, о.е. 0,12

Реактивное сопротивление статора Х1отн, о.е. 0,052 Активное сопротивление ротора R'2отн, о.е. 0,064 Реактивное сопротивление ротора X'2отн, о.е. 0,077

сosφ 0,66

КПД асинхронного двигателя, % 63,4

КПД насоса, % 61

Номинальное скольжение sном, % 5

Критическое скольжение sк, % 38

Номинальный момент, Мн 1,94

Отношение начального пускового момента к номинальному, mп=Мп/Мн 2 Отношение максимального момента к номинальному, mк=Мк/Мн 2,2 Отношение пускового тока к номинальному, Iп/ Iн 5,5

Динамический момент инерции, J, кг·м² 0,0009

Паспортный напор, Н, м 13…22

Реальный напор, Н, м 12,7…20,6

Паспортная производительность, Q, м³/ч 0…4,8

Реальная производительность, Q, м³/ч 0…2,61

В таблице 2.1 приведены реальные данные насосного агрегата, которые значительно отличаются от данных каталога из-за индивидуальной конструкции рабочего колеса.

2.2 Преобразователь частоты Control Techniques UNIDRIVE M701 Лабораторный стенд оснащен преобразователем частоты фирмы Control Techniques UNIDRIVE M701, который представляет собой законченное устройство для управления электродвигателями переменного тока, обеспечивает преобразование переменного напряжения 3х380В в трехфазное напряжение с регулируемыми значениями напряжения и частоты.

Модуль преобразователя частоты содержит:

- панель оператора преобразователя частоты UNIDRIVE M701;

- силовые клеммы входного трехфазного напряжения A1, B1 и C1;

- светодиод готовности преобразователя к работе;

- четырехразрядный индикатор скорости вращения электродвигателя с диапазоном измеряемых величин скорости ±4000 об/мин;

- кнопку аварийного останова;

- тумблер «Выбор режима управления», с помощью которого выбирается способ управления электроприводом насоса. В режиме «Пульт ПЧ» команды пуска/останова привода насоса, а также задание частоты вращения осуществляется с панели управления ПЧ. В режиме «ПЛК»

пуск/останов привода происходит с помощью программируемого логического контроллера, а задание частоты осуществляется через модуль «Управление и индикация датчиков». Параметры преобразователя частоты указаны в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Параметры преобразователя частоты

Параметр Единица измерения Значение

Номинальная мощность Киловатт 0,75

Номинальный выходный ток Ампер 2,1

Максимальный выходной ток Ампер 3

Номинальное входное напряжение Вольт 380-480

Диапазон выходных частот Герц 0,1…400

Настройка ПЧ осуществляется с помощью пульта управления (кнопочной панели преобразователя). Кнопочная панель преобразователя включает в себя дисплей и кнопки управления. Общий вид кнопочной панели представлен на рисунке 2.5.

1 – кнопка возврата; 2 – кнопка старт в обратном направлении; 3 – кнопка старт в прямом направлении; 4 – кнопки навигации по параметрам; 5 – кнопка

сброса преобразователя / кнопка останова двигателя; 6 – кнопка ввод Рисунок 2.5 – Вид кнопочной панели.

Кнопки 2,3 и 5 управляют пуском/остановом электродвигателя только при выбранном режиме управления Keypad (управление с кнопочной панели).

Параметры преобразователя частоты Unidrive M701, которые использовались при проведении исследований представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 – Параметры преобразователя частоты

Параметр Диапазон

00.005 Селектор задания А1 А2 (0), А1 Preset (1), A2 Preset (2), Preset (3), Keypad (4), Precision (5), Keypad Ref (6) 00.007 Режим управления разомкнутого

контура

Ur S (0), Ur (1), Fixed (2), Ur Auto (3), Ur I(4), Square (5), Current 1P (6)

00.010 Обороты двигателя +-180000 об/мин 00.011 Выходная частота

Напряжения на статоре +-VM_SPEED_FREQ_REF Гц

00.040 Автонастройка 0 до 3

00.041 Максимальная частота ШИМ 2 кГц

00.042 Число полюсов двигателя Автоматически (0) до 480 полюсов (240) 00.043 Номинальный коэффициент

мощности 0,000 до 1,000

00.044 Фазное номинальное напряжение +-VM_AC_Voltage_Set 00.045 Номинальная

скорость 0 до 50000 об/мин

00.046 Номинальный

ток +-VM+RATED_CURRENT

00.047 Номинальный ток 0 до 1667 Гц 00.048 Режим

электропривода

Open-loop (1), RFC-A (2), RFC-S (3), Regen (4)

1.010 Выбор биполярного задания Off(0) или On (1) 02.010 Селектор величины ускорения 0 до 9

02.011 Величина разгона электропривода +-VM_ACCEL_RATE c/100 Гц 02.020 Селектор величины торможения 0 до 9

02.021 Величина торможения

электропривода +-VM_ACCEL_RATE c/100 Гц

04.001 Величина тока +-VM_DRIVE_CURRENT_UNIPOLAR 04.002 Ток, создающий

момент +-VM_DRIVE_CURRENT

04.020 Процент нагрузки (момент на валу

двигателя) +-VM_USER_CURRENT

05.002 Выходное

напряжение на статоре +-VM_AC_VOLTAGE 05.003 Выходная мощность +-VM_POWER

05.012 Автонастройка

05.014 Режим управления в разомкнутом контуре

Ur S (0), Ur (1), Fixed (2), Ur Auto (3), Ur I (4), Square (5), Current 1P (6)

05.015 Форсировка напряжения 0 до 2 05.027 Включение компенсации

скольжения Off (0) или On (1)

06.001 Режим торможения Выбег (0), Рампа (1), Рампа dc I (2), dc I (3), время dc I (4), Запрет (5)

06.006 Уровень тока торможения 0 до 150%

Преобразователь частоты Unidrive M701 обеспечивает высокое исполнение контроля за электродвигателем с максимальной пропускной способностью, а также обладает ультрагибкостью с целью удовлетворения всех требований построения промышленных машин и устройств.

Преобразователь частоты имеет в своем составе карту памяти SMARTCARD, которая позволяет оперативно выбирать режим работы электропривода, без дополнительных сложностей в конфигурировании каждого из параметров электропривода. Карта содержит 999 ячеек памяти, в каждую из которых можно записать необходимую конфигурацию электропривода. В данном стенде используются 3 ячейки:

- 100 - регулирование скорости в разомкнутой системе (управление ручное);

- 150 - регулирование скорости со встроенным ПИД-регулятором и обратной связью по давлению в гидросистеме.

Для записи данных с ячейки карты памяти в привод необходимо в параметре 00.000 ввести значение 6ууу (где ууу - номер ячейки).

Для записи данных с привода в ячейку карты памяти необходимо в параметре 00.000 ввести значение 4ууу (где ууу - номер ячейки).

Режим регулирования скорости в разомкнутой системе (частотное управление).

В режиме регулирования скорости преобразователь поддерживает заданную частоту вращения электродвигателя. Управление осуществляется изменением напряжения и частоты на статоре асинхронного электродвигателя. Для включения данного режима в параметре необходимо выбрать значение Open-loop и сбросить настройки на заводские. Сброс параметров осуществляется установкой в параметре 0.000 значения 1253 и дальнейшим нажатием кнопки сброс на кнопочной панели.

После сброса настроек необходимо установить в преобразователе номинальные данные электродвигателя:

- в параметре 00.042 установить число полюсов;

- в параметре 00.043 установить номинальный коэффициент мощности;

- в параметре 00.044 установить номинальное линейное напряжение двигателя;

- в параметре 00.045 установить номинальную скорость двигателя;

- в параметре 00.046 установить номинальный ток двигателя;

- в параметре 00.047 установить номинальную частоту двигателя;

- в параметре 05.027 установить значение off (отключить компенсацию скольжения);

- в параметре 01.010 установить значение off;

- в параметре 05.014 выбрать режим «Fixed.».

2.3 Программируемый логический контроллер Siemens S7-1200

Основным устройством управления на стенде является программируемый логический контроллер ПЛК Siemens S7-1200 1214C.

К дискретному входу DI1.0 ПЛК подключен расходомер F1, ко входу AI0 модуля расширения платы SM1234 подключен датчик давления Овен ПД100.

С помощью аналогового выхода модуля расширения AQ0 ПЛК управляет скоростью центробежного насоса, подавая сигнал управления на преобразователь частоты.

Управление дроссельной задвижкой также осуществляется при помощи аналогового выхода модуля расширения AQ1 ПЛК.

Сигнал с ультразвукового расходомера F2 поступает на преобразователь интерфейсов Modbus-USB и далее передается на персональный компьютер, который при помощи Scada-системы обрабатывает эту информацию и передает на ПЛК.

К дискретному входу DI1.0 ПЛК подключен расходомер (F1), ко входу AI0 модуля расширения SM1234 подключен датчик давления (P) Овен ПД100.

С помощью аналогового выхода модуля расширения AQ0 ПЛК управляет скоростью центробежного насоса, подавая сигнал управления на преобразователь частоты. Управление задвижкой также осуществляется при помощи аналогового выхода модуля расширения AQ1 ПЛК. Сигнал с ультразвукового расходомера поступает на преобразователь интерфейсов Modbus-USB и далее передается на персональный компьютер, который при помощи Scada-системы обрабатывает эту информацию и передает на ПЛК.

Программирование и конфигурирование систем автоматизации на основе программируемых контроллеров S7-1200 выполняется с помощью пакета программ STEP 7 Basic от V10.5 или STEP 7 Professional от V11 (TIA portal).

2.4 Измеритель мощности

Модуль измерителя мощности (ИМ) предназначен для измерения электрических параметров трехфазной сети переменного тока, к которым можно отнести напряжение, ток, частоту, активную, реактивную и полную мощность, коэффициент мощности.

Измеритель мощности содержит четыре светодиодных дисплея, для отображения измеряемых параметров электрической сети. Светодиоды k и M предназначены для индикации соответственно тысяч и миллионов единиц измерения. Для навигации по параметрам и переключения режимов служат кнопки, расположенные непосредственно на измерителе мощности.

Кнопки навигации ▲▼ служат для выбора измеряемой величины, отображаемой на первых трех дисплеях, где каждый из дисплеев соответствует фазе трехфазной сети. Текущая измеряемая величина обозначается зажиганием соответствующего светодиода.

Расшифровка маркировки светодиода измеряемых параметров дана в таблице 2.4.

Таблица 2.4 – Измеряемые параметры

Маркировка светодиода Измеряемая величина

V L-L Линейное напряжение, В

V L-N Фазное напряжение, В

A Ток, А

W Активная мощность, Вт

var Реактивная мощность, ВАР

VA Полная мощность, ВА

P.F. Коэффициент мощности

Total hours Счетчик часов

Partial hours Счетчик часов на убывание

Кнопка «High/Low» позволяет фиксировать мгновенное максимальное или минимальное значение измеряемой величины. Включение подобных режимов индицируется посредством соответствующих светодиодов, расположенных рядом с кнопкой. Нижняя кнопка служит для выбора измеряемой величины на четвертом дисплее, который отображает среднее значение измеряемой величины по всем трем фазам. Текущая измеряемая величина обозначается зажиганием соответствующего светодиода.

2.5 Управление и индикация датчиков

На модуле «Управление и индикация датчиков» расположены следующие блоки:

- блок ультразвукового расходомера US-800;

- блок индикации показаний датчика давления Овен ПД100. На цифровом индикаторе РА отображается сигнал с токового выхода датчика (мА);

- в блоке тахометрического расходомера с помощью цифрового индикатора PF2 отображается количество импульсов, поступивших с датчика.

Кнопкой осуществляется сброс показаний на индикаторе;

- блок управления насосом и задвижкой.

2.5.1 Ультразвуковой расходомер US-800.

Ультразвуковой расходомер US-800 состоит из ультразвукового преобразователя расхода и электронного пульта (блока) управления фирмы AC-Electronix.

Конструктив электронного блока ЭБ представляет собой приборный корпус из пластмассы для настенного монтажа. В нижней части корпуса расположены разъемы для подключения питания, пьезоэлектрических преобразователей ПЭП при помощи высокочастотных кабелей и входов

других приборов или устройств, принимающих аналоговые, частотные, цифровые сигналы ЭБ. Лицевая панель ЭБ защищена прозрачной крышкой.

Основные технические характеристики представлены в таблице 2.5.

Таблица 2.5 – Основные технические характеристики US-800

Параметр Значение

Тип US-800

Напряжение питания, В 220 В

Диаметр условного прохода, мм 25

Измеряемый расход, м³/ч 0,5…22

Относительная погрешность, % 2

Выходной сигнал постоянного тока, мА 4-20 Выходной частотный/импульсный выход, кГц До 1

Последовательный интерфейс RS485 Modbus, от 0,6 до 115,2 кБод

На лицевой панели ЭБ расположена функциональная клавиатура из четырех кнопок, девятиразрядный цифровой индикатор и два единичных светодиодных индикатора «НОРМА» и «ОТКАЗ».

US800 имеет два режима функционирования:

- режим работы;

- режим программирования.

В режиме работы выполняются следующие функции:

- измерение текущего среднего объемного расхода и накопление объема в счетчиках жидкости по каждому из каналов;

- сигнализация работоспособного состояния и возникающих сбоев по каждому из каналов измерения на светодиодных индикаторах;

- приема/передачи информации по RS485;

- автоматическая компенсация смещения нуля канала измерения по инициативе пользователя.

Режим программирования служит для доступа к программируемым параметрам US800. Программируемые параметры определяют функционирование US800 в режиме работы, поэтому их некорректный ввод может привести к ошибкам в измерениях и отображении информации на индикаторе, к потере связи по RS485.

US800 измеряет расход на основе измерения времени распространения импульсов ультразвукового колебания через движущуюся жидкость. Разность между временами распространения ультразвуковых импульсов в прямом и обратном направлениях относительно движения жидкости пропорциональна скорости ее потока.

Возбуждение ультразвуковых колебаний осуществляется пьезоэлектрическими преобразователями (далее – ПЭП), располагаемыми на участке трубопровода, в котором производится измерение расхода жидкости.

В зависимости от установки ПЭП относительно сечения потока, скорость последнего измеряется по двум или одному лучам ультразвуковых колебаний.

2.5.2 Блок управления насосом и задвижкой.

В режиме «АВТ» управление скоростью вращения центробежного насоса, а также открытием задвижки осуществляется от ПЛК. В режиме «Руч»

управление происходит вращением соответствующих потенциометров. На цифровых индикаторах PV2 и PV3 отображается величина сигнала управления насосом и задвижкой соответственно. Регулирование степени открытия задвижки или скорости вращения насоса осуществляется с помощью управляемых реостатов.

Пуск или останов насоса может производиться как с помощью тумблера Ia.0 модуля «Программируемый логический контроллер», так и из проекта SCADA системы Trace Mode соответствующими кнопками.

Световой индикатор «Перелив» загорается при переполнении мерного бака. При этом происходит принудительный останов центробежного насоса.

2.6 Задвижка с электроприводом Danfoss BG024D

Задвижка с электроприводом Danfoss BG024D является электромагнитным клапаном двухстороннего действия, управляемым электродвигателем.

Она предназначена для регулирования расхода в гидросистеме путем постепенного перекрытия трубопровода. Задвижка снабжена электроприводом, который изменяет сечение трубопровода в функции аналогового сигнала управления, подаваемого с помощью ПЛК. Технические характеристики приведены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 – Технические характеристики

Параметр Значение

Тип BM024D

Статическое давление 360 PSI

Диапазон рабочих температур -30…+50⁰С

Время открывания 5…15 с

Сигнал управления 0…10 В

Усилие 5,6 Н·м

Напряжение питания 21-30 В

Пропорциональное регулирование открытия и закрытия клапанов задвижки достигается посредством бесступенчатой регулировки тока катушки и, следовательно, тягового усилия катушки соленоида. Когда ток катушки увеличивается, тяговое усилие катушки будет в определенной точке превышать противодействующую пружинную силу закрывающей пружины.

Якорь перемещается вверх, открывая направляющее отверстие в перегородке, которая за счет сервопривода следует за движением якоря. Клапан полностью открыт, когда ток катушки достиг своего максимального значения.

2.7 SCADA-система Adastra Trace Mode

На персональном компьютере установлено программное обеспечение SCADA-системы Adastra Trace Mode, которая используется для автоматизации промышленных предприятий, энергетических объектов, объектов транспорта, систем энергоучета и т.д. На данном стенде Scada- система применяется для автоматизированного снятия статических и динамических характеристик элементов лабораторного стенда, мониторинга сигналов, а также возможность осуществить ПИД-регулирование с обратной связью по давлению или расходу.

Для запуска SCADA-систему Adastra Trace Mode необходимо выполнить следующее:

- на рабочем столеWindows запустить файл Restart OPC.bat, дождаться его выполнения и затем нажать любую кнопку;

- на рабочем столе Windows или в меню «Пуск» найти и запустить профайлер SAU_CN_SK.dbb программы Trace Mode;

- далее в рабочем окне запустившейся программы выбрать меню

«файл» и нажать на кнопку «Запуск/Останов» и дождаться, когда программа перейдет в режим опроса ПЛК;

- для удобства пользования установить полноэкранный режим работы нажатием сочетания клавиш «Ctrl+F».

Основной экран программы представлен на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 – Основное окно программы «САУ-ЦН» Trace Mode

На рисунке 2.7 изображено окно «Снятие статистических характеристик промышленных датчиков», в котором присутствует схема гидросистемы.

В правом верхнем углу расположена рабочая модель секундомера, с помощью которого можно замерять время наполнения мерного бака при измерении расхода воды объемным методом. На рисунках соответствующих элементов системы отображаются показания скорости вращения, расхода,

давления и степени открытия дроссельной задвижки в реальном времени, которые также дублируются на левой панели.

Рисунок 2.7 – Окно 1 проекта «САУ-ЦН» SCADA-системы Trace Mode Взаимодействие между программой и насосным агрегатом осуществляется следующим образом:

– нажатием на иконку карандаша в соответствующем поле устанавливается необходимая величина открытия задвижки (0…100 %) и частота вращения электродвигателя насоса (0…3000 об/мин);

– нажатием кнопок «Пуск» и «СТОП» осуществляется запуск и остановка двигателя насоса;

– нажатием на кнопку-поле «Временные диаграммы» в центре окна 1, можно перейти на следующее окно 2 (рисунок 2.8), в котором будут отображены диаграммы изменения скорости, давления, расхода с течением времени.

Рисунок 2.8 – Окно 2 проекта «САУ-ЦН» SCADA-системы Trace Mode

Также в окне возможно оперативно изменять величину открытия задвижки и частоту вращения двигателя насоса. Показания датчиков можно снимать как в данном окне, так и с помощью визуального контроля (каждый расходомер оснащен собственным индикатором).

Adastra Trace Mode располагает встроенными драйверами, позволяющими подключать более двух тысяч четырехсот наименований устройств ввода/вывода – программируемых логических контроллеров, удаленного средств связи с объектами, плат ввода/вывода и промышленных сетей.

3 Лабораторные работы

Работа №1. Исследование частотного регулирования электропривода насоса при законе U/f=const

Цель работы: исследование характеристик электропривода при стандартном законе частотного управления

Методические указания к проведению работы.

Перед проведением лабораторной работы необходимо проверить/выполнить подключения и установить все элементы стенда в исходное состояние:

1) На модуле «Питание стенда»:

- убедиться в том, что автоматический выключатель QF1 находится в выключенном положении;

- установить клавишный переключатель SA1 в выключенное положение.

2) На модуле «Программируемый логический контроллер S7-1200»:

- тумблеры блока аналоговых входов I0.0...I0.7 перевести в центральное положение, соответствующему состоянию «Выкл»;

- убедиться, что кнопка «Питание» находится в отжатом состоянии;

- проверить подключение патчкорда от разъема «Profinet» данного модуля к разъему Ethernet Персонального Компьютера.

3) На модуле «Измеритель мощности»:

- установить клавишный переключатель «Сеть» в выключенное положение;

- клеммы А, В, С модуля питания стенда соединить с входными одноименными клеммами модуля измерителя мощности. Клеммы А1, В1, С1 модуля преобразователь частоты подключить к одноименным выходным клеммам измерителя мощности.

4) На модуле «Преобразователь частоты»:

- тумблер выбора режима управления перевести в положение «Пульт ПЧ».

5) На модуле «Управление и индикация датчиков»:

- тумблер «Авт/Руч» перевести в положение «Руч»;

- потенциометры, расположенные напротив индикаторов «Задвижка» и

«Насос» перевести в крайнее положение против часовой стрелки.

6) На гидравлической части стенда:

- шунтирующий кран перевести в открытое состояние, повернув до упора против часовой стрелки;

- убедиться в подключении провода USB, выходящего из стенда, к разъему персонального компьютера.

7) Переключателем выбора режима работы установить режим работы с кнопочной панели преобразователя частоты. Выставить в преобразователе базовые настройки.

8) Далее произвести ввод параметров асинхронного двигателя центробежного насоса из таблицы 2.1.

Программа и порядок выполнения работы.

Механическая характеристика представляет собой зависимость частоты вращения двигателя от полезного момента на валу двигателя ω = f (М_В) при постоянном значении частоты и амплитуды питающего напряжения.

Электромеханическая характеристика двигателя представляет собой зависимость частоты вращения от тока статора ω = f (Iс).

Опыт проводится в следующей последовательности:

- включить автоматический выключатель QF1 модуля МПС;

- нажатием зеленой кнопки старт на кнопочной панели оператора запустить преобразователь частоты (на кнопочной панели отобразиться

«Run»);

- с помощью клавиш навигации установить номинальную скорость вращения электропривода;

- потенциометром задвижки изменять расход и давление в системе, тем самым менять момент на валу двигателя. Момент фиксировать по параметру 04.020. Данные опыта занести в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 – Опытные данные Открытие

задвижки,%

n, об/мин Ucт, В I^ст, А ω, рад/с М, % М, Нм Sст, ВА Pмех, Вт ηсист, о.е.

Частота вращения двигателя, 1/с:

где – скорость вращения электродвигателя, об/мин.

Момент двигателя, Нм:

Полная мощность на статоре, ВА:

Механическая мощность на валу, Вт:

КПД системы, о.е.:

После произведенных вычислений необходимо построить графики механической и электромеханической характеристик.

Контрольные вопросы.

1. Конструкция центробежного насоса.

2. Принцип работы центробежного насоса.

3. Объяснить принцип и нарисовать все рабочие характеристики асинхронного электродвигателя.

4. Как изменить направление вращения асинхронного двигателя?

5. Как изменится момент асинхронного двигателя при понижении напряжения питающей сети?

6. Может ли асинхронный двигатель создавать момент при синхронной частоте вращения?

7. Как изменяется ток статора двигателя при повышении напряжения и неизменной нагрузке на валу двигателя?

8. Законы частотного управления.

9. Способы регулирования производительности центробежного насоса.

10. Формулы гидравлического подобия.

11. Функциональная схема автоматизированного электропривода центробежного механизма.

Работа №2. Энергетические характеристики разомкнутой системы электропривода при дросселировании

Цель работы: исследование энергетических характеристик электропривода при регулировании гидравлических параметров системы с помощью заслонки

Методические указания к проведению работы.

Перед проведением лабораторной работы необходимо привести модули в исходное состояние:

- произвести все предварительные действия, указанные в лабораторной работе №1;

- переключателем выбора режима работы установить режим работы с кнопочной панели преобразователя частоты, с ПЛК через SCADA систему или включить тумблер I0.0, для перевода преобразователя частоты в режим

«Run» и, используя потенциометры управления насосом или задвижкой, проводить лабораторную работу. Выставить в преобразователе базовые настройки. Далее произвести ввод параметров асинхронного двигателя центробежного насоса из таблицы 2.1.

Программа и порядок выполнения работы.

Под дросселированием понимают понижение давления в потоке жидкости, газа или пара при прохождении его через дроссель - местное гидродинамическое сопротивление (сужение трубопровода, вентиль, кран и т.д.). Для подобных целей в лабораторном стенде используется задвижка с электроприводом.

Опыт проводится в следующей последовательности:

- включить автоматический выключатель QF1 модуля МПС;

- включить клавишу «Сеть» модуля измерителя мощности;

- выбрать способ управления скоростью насоса и степенью открытия задвижки;

- если выбран режим управления с помощью кнопочной панели преобразователя частоты, то нажатием зеленой кнопки «Старт» на кнопочной панели оператора запустить преобразователь частоты (на кнопочной панели отобразиться «Run»);

- с помощью клавиш навигации или SCADA системы установить номинальную скорость вращения насоса;

- потенциометром задвижки или SCADA системой, начиная с закрытого состояния дроссельной задвижки, пошагово открывать ее на 10% до полного открытия, тем самым изменяя подачу воды, и получая необходимые опытные данные;

- открытие задвижки, %; скорость вращения двигателя n, об/мин;

подача Q, м³/ч; давление P, кПа измерять в SCADA-системе Adastra Trace Mode;

- напряжение сети Uсети, В; ток сети I_сети, А; полная мощность насосной установки Sуст, ВА; активная мощность насосной установки, Pуст, Вт были получены на модуле измерительного стенда;

- ток статора I_{статора}, А; выходная мощность преобразователя частоты Pмех. вых. ПЧ, Вт; момент на валу двигателя М, %; напряжение на статоре U_статор, В; выходная частота напряжения на статоре f, Гц измеряются по параметрам преобразователя частоты;

- снять 5 - 10 точек характеристики;

- повторить опыт для скорости в половину номинальной.

При выполнении измерений необходимо следить за наполнением мерного бака, для того, чтобы исключить его переполнение. Для защиты от переполнения мерного бака используется поплавковый датчик, который при срабатывании подает сигнал на отключение центробежного насоса.

Полученные опытные данные заносить в таблицы 3.2 и 3.3.

Таблица 3.2 – Опытные и расчетные данные для номинальной скорости вращения

Открытие задвижки,

% n, об/мин I_ст, А S_ст, BA U_сети, В Iсети, А Sсети, BA Pсети, Вт Pмех. вых.

ПЧ, Вт Pмех двиг., Вт M,%

М, Нм ω, рад/с η_ПЧ,%

U_ст, В f, Гц Q, м³/ч P, кПа H, м Pгидр., Вт η_{насоса1}, % η_{насоса2}, % η_сист, %

Таблица 3.3 – Опытные и расчетные данные для скорости вращения в половину меньше номинальной

Открытие задвижки,

% n, об/мин Iст, А Sст, BA Uсети, В Iсети, А Sсети, BA Pсети, Вт Pмех. вых.

ПЧ, Вт Pмех двиг., Вт M,%

М, Нм ω, рад/с η_ПЧ,%

Uст, В f, Гц Q, м³/ч P, кПа H, м Pгидр., Вт η_{насоса1}, % η_{насоса2}, % η_сист, %

Полная мощность на статоре S_ст вычисляется по формуле, ВА:

Угловая частота вращения рабочего колеса вычисляется по формуле, рад/с:

где – частота вращения рабочего колеса, об/мин.

Для того, чтобы момент двигателя М, измеренный на преобразователе частоты в % перевести в Нм необходимо: