УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ НАСОСА ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Область техники
Полезная модель относится к области тепловодоснабжения промышленных и жилых объектов.
Уровень техники
На центральных пунктах сетей тепловодоснабжения широко используются насосы с нерегулируемым электроприводом переменного тока, повышающие давление в магистралях водоснабжения промышленных и жилых объектов относительно давления в городском водопроводе. Такие насосы устанавливаются перед линиями холодного и горячего (через теплообменник) водоснабжения потребителей и обеспечивают суммарный расход холодной и горячей воды на объекте. Нерегулируемое давление подаваемой воды зависит от параметров насосов, давления городского водопровода, от величины водоразбора (расхода воды) и часто превышает давление, требуемое по условию комфортности потребления, в 1,5-2 раза. Это приводит к перерасходу электроэнергии, для уменьшения которого насосы снабжают регулируемым электроприводом.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство управления электродвигателем насоса водоснабжения, содержащее преобразователь частоты с управляющим блоком, к информационному входу которого подключен измерительный датчик выходного напора. Управляющий блок выполнен с возможностью вычисления разности измеренного и заданного значений выходного напора и с возможностью управления выходной частотой преобразователя на минимизацию абсолютной величины указанной разности [Н.Ф.Ильинский. Регулируемый электропривод. Энерго- и ресурсосбережение. Журнал Приводная техника, №3, 1997 г., стр.21-23.].
В устройстве-прототипе значение выходного напора (напора на выходе насоса) задается в виде постоянной величины - уставки, предварительно рассчитанной как напор, необходимый для подъема воды до верхней точки водоразбора объекта (так называемая диктующая точка), плюс напор струи и запас в 10-15 метров водяного столба (м в.ст.) на компенсацию падения давления на гидросопротивлениях трубопроводов и внутридомовых сетей.
Применение устройства-прототипа обеспечивает по сравнению с использованием нерегулируемого электропривода значительную экономию электроэнергии (до 50%), воды (до 10%) и тепла (до 10%).
Недостаток устройства-прототипа состоит в том, что величина потерь и комфортность водопотребления определяются выбором уставки, в зависимости от которого устройство-прототип либо не обеспечивает потребителю достаточно комфортного давления в периоды большого расхода воды (например, в утреннее или вечернее время суток), либо поддерживает у потребителя избыточное давление в периоды малых расходов воды (например, в ночное время суток) с соответствующим избыточным расходом электроэнергии. На практике, как правило, используется последний режим, что приводит к непроизводительному расходу электроэнергии, воды и тепла.
Задача полезной модели - усовершенствование устройства управления электродвигателем насоса водоснабжения для устранения указанного недостатка без больших капитальных затрат.
Сущность полезной модели
Задачу решает устройство управления электродвигателем насоса водоснабжения объекта, содержащее преобразователь частоты с управляющим блоком, снабженным первым и вторым входами, предназначенными для подключения датчиков расхода и выходного напора воды соответственно, при этом управляющий блок выполнен с возможностью вычисления суммы постоянной величины и возрастающей
функции от значения сигнала на первом входе и возможностью управления выходной частотой преобразователя на минимизацию отклонения значения сигнала на втором входе от указанной суммы.
Достигаемый технический результат состоит в уменьшении суточного расхода электроэнергии с сохранением комфортности водопотребления. Кроме того, уменьшается расход воды, а в системах с горячим водоснабжением также и расход тепла.
Для частного и наиболее простого случая осуществления полезной модели она имеет развитие, которое состоит в том, что управляющий блок может быть выполнен с возможностью вычисления указанной суммы в виде линейной зависимости.
В других случаях указанная сумма может вычисляться блоком 3, например, в виде ломаной кривой.
Осуществление полезной модели
Фиг.1 иллюстрирует пример осуществления предлагаемого устройства. На фиг.2 и 3 показаны экспериментальные диаграммы.
На фиг.1 показаны электродвигатель 1 переменного тока, преобразователь 2 частоты с управляющим блоком 3. Блок 3 снабжен информационными входами: первым входом 4 и вторым входом 5. К входу 4 подключен датчик 6 расхода воды, а к входу 7 - датчик напора воды.
Блок 3 выполнен в виде блока цифровой обработки, запрограммированного с возможностью вычисления суммы постоянной величины и возрастающей функции от значения сигнала на входе 4 и с возможностью управления выходной частотой преобразователя на минимизацию отклонения значения сигнала на втором входе 5 от указанной суммы.
Преобразователь 2 имеет силовой вход 8, предназначенный для подключения к сети электропитания, и выход 9 для подключения к электродвигателю 1. Блок 3 снабжен установочным входом 10, через
который могут быть введены константы и фиксированные параметры (постоянные величины).
Кроме того, на фиг.1 показан жилой или промышленный объект 11, снабжаемый водой из источника 12, например городского водопровода, по магистрали 13 с помощью насоса 14 водоснабжения. Магистраль 13 может питать объект 11 через линию 15 холодного водоснабжения (ХВС) и линию 16 горячего водоснабжения (ГВС) с теплообменником 17.
Полезная модель работает следующим образом.
Электродвигатель 1, установленный на валу насоса 14, питается от преобразователя 2, подключенного к электросети входом 8. Частота вращения насоса 14 определяется частотой переменного тока на выходе 9 преобразователя 2, которая регулируется управляющими воздействиями, вырабатываемыми блоком 3.
На вход 4 блока 3 поступает сигнал с датчика 6, измеряющего расход воды, подаваемой в магистраль 13 насосом 14, а на вход 5 блока 3 - сигнал с датчика 7, измеряющего напор воды на выходе насоса 14. Блок 3 осуществляет цифровую обработку сигналов, поступающих к нему по информационным входам 4 и 5. Цифровые значения напора и расхода либо поступают в блок 3 непосредственно с датчиков 6 и 7, либо могут быть получены в блоке 3 аналого-цифровым преобразованием сигналов этих датчиков.
Блок 3 выполняет свои функции, например, в следующем порядке.
зад
мин
зад
пер
изм.
В начале он вычисляет заданное значение напора Н в виде суммы двух составляющих. По входу 10 в блок 3 вводятся константы и параметры, позволяющие определить первую составляющую заданного значения напора - постоянную величину Н, независящую от расхода, измеренного датчиком 6. Вторая (переменная) составляющая заданного напора Н вычисляется как возрастающая (например, линейновозрастающая) функция текущего расхода воды Н(Q). Для ее расчета блок 14 использует
изм
значение Q текущего расхода воды, получаемое из сигнала датчика 6, поступающего в блок 3 по входу 4.
зад
изм
Затем блок 3 вычисляет разность задаваемого значения напора Н и измеренного значения напора Н, полученного по входу 5.
зад
изм
изм
зад
зад
изм
зад
изм
После этого в соответствии с вычисленной разностью (Н-Н) блок 3 вырабатывает регулирующее воздействие, изменяющее выходную частоту преобразователя 2, частоту вращения насоса 14 и, следовательно, напор Н так, чтобы минимизировать его отклонение от Н. (т.е. абсолютную величину указанной разности). Для этого регулирующее воздействие увеличивает частоту вращения насоса 14 при (Н-Н)>0 и уменьшает ее при (Н-Н)≤0
пер
изм.
В случае выбора линейновозрастающей функции Н(Q). суммарная зависимость заданного напора от расхода имеет следующий вид
зад
изм
мин
изм
Н(Q.)=Н+kQ.
мин
мин
макс
макс
При этом Н представляет собой напор, обеспечивающий с необходимым запасом комфортное давление в диктующей точке объекта при минимальном (близком к нулевому) расходе воды Q. Коэффициент k задается из условия получения на выходе насоса 14 напора Н, обеспечивающего те же условия в диктующей точке объекта при максимальном расходе воды, равном Q.
мин
макс
макс
Значения Н,  Н и Q могут быть определены расчетным или экспериментальным путем, а коэффициент k рассчитан по формуле
макс
мин
макс
мин
k=(Н-Н.)/(Q.-Q.)
Важным достоинством предлагаемого решения является то, что указанный выше технический результат достигается без установки у потребителей, например, в диктующей точке объекта, дополнительного оборудования, что с учетом необходимости обеспечения его связи с насосной потребовало бы значительных капитальных затрат.
нас
гвс
Эффективность предлагаемого решения была проверена экспериментально. Диаграммы напоров (Н- на выходе насоса, Н - на
д.т.
входе линии ГВС, Н - в диктующей точке) и общего расхода Q, полученные в одной и той же системе тепловодоснабжения группы зданий, при использовании прототипа и предлагаемого технического решения приведены на фиг.2 и фиг.3 соответственно. Диаграммы показывают, что предложенное решение обеспечивает заданный комфортный напор в диктующей точке при изменениях расхода в широких пределах (от 26 до 7 м в.ст.) и снижение напора на выходе насоса в периоды малых расходов, что обеспечивает экономию электроэнергии.
Ориентировочная количественная оценка экономии электроэнергии может быть проведена следующим образом. Для прототипа среднесуточный запас напора составляет 10÷15 м в.ст., а для предлагаемого - 5÷7,5 м в.ст. (ночью запаса нет, днем он наибольший). Для двенадцатиэтажной застройки микрорайона и необходимом напоре воды 41 м.в.ст. в диктующей точке соответствующие энергопотери составляют для первого случая 24,4÷36,6%, а для второго 12,2÷18,3%. Таким образом по сравнению с прототипом обеспечивается экономия электроэнергии на 12÷18%.
Например, для насоса мощностью 15 кВт, экономия потребляемой мощности составит 0,84-1,26 кВт, а годовая экономия электроэнергии из условия непрерывной работы насоса достигает 10 тыс. кВт·ч.