СТАНЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Полезная модель относится к области преобразовательной техники и может быть использована для управления группой электродвигателей переменного тока и, в частности, для частотного регулирования электропривода групп асинхронных электродвигателей общего применения, например, в коммунальном хозяйстве на центральных и индивидуальных тепловых пунктах (ЦТП, ИТП) в системах горячего и холодного водоснабжения жилых домов.
Тепловые пункты, станции подъема и подкачные насосные станции работают в автономном режиме с периодическим посещением их обслуживающим персоналом. Обычно на таких объектах используются несколько насосных агрегатов (например, три), один из которых выполняет функцию основного, другой - дополнительного, а третий - резервного. Равномерный износ насосного оборудования достигается периодической сменой перечисленных функций агрегатов. Для поддержания выходного технологического параметра на заданном уровне возникает необходимость одновременно с работой основного насосного агрегата подключать дополнительный.
Известна станция автоматического управления частотно-регулируемым приводом насосных агрегатов типа СУ-4Э [1. Энергосбережение. №3-4, 1998 с.16]. Она содержит частотно-регулируемый преобразователь, вход питания которого соединен с трехфазной силовой сетью, электродвигатели (например, три), три реверсивных коммутатора. Обмотки каждого двигателя подключены соответственно к силовым выходам каждого из трех реверсивных коммутаторов, имеющих два входа. Первые входы реверсивных коммутаторов соединены с трехфазной силовой сетью, а вторые входы подключены к
выходу частотно-регулируемого преобразователя. Кроме того, каждый реверсивный коммутатор содержит две обмотки управления, первый вывод которых соединен с общей точкой, второй вывод каждой обмотки управления соединен с первым выводом размыкающих контактов механической блокировки. Вторые выводы контактов механической блокировки соединены с выходами управления частотно-регулируемого преобразователя. Информационный вход датчика технологического параметра соединен с информационным входом частотно-регулируемого преобразователя.
Недостатком этой станции является то, что используется специализированный частотно-регулируемый преобразователь, который одновременно выполняет роль системы управления станции, а это делает станцию ненадежной в эксплуатации. Например, выход из строя или отказ в работе частотно-регулируемого преобразователя приводит к отказу всей станции автоматического управления. Особенно это опасно при работе станции в автономном режиме во время отсутствия обслуживающего персонала.
Наиболее близкой по технической сути является станция, содержащая систему управления станцией, функцию которой выполняют частотно-регулируемый преобразователь и микроконтроллерный блок управления [2. Патент РФ №2154891, опубликован 20.08.2000]. Блок управления содержит микропроцессорную систему управления [в 2 названа - микроконтроллерная система управления], вход которой соединен с входным преобразователем, а ее выход - с выходным преобразователем; датчик технологического параметра, соединенный с входным преобразователем. При этом выход выходного преобразователя микроконтроллерного блока управления соединен с информационным входом частотно-регулируемого преобразователя. Станция содержит также реверсивные коммутаторы по числу используемых двигателей, снабженные двумя управляющими и двумя силовыми входами. Первые силовые входы реверсивных коммутаторов соединены между собой параллельно и подключены к трехфазной силовой сети с нулевым проводом, которая в свою очередь соединена с силовым входом частотно-регулируемого
преобразователя. Вторые силовые входы реверсивных коммутаторов соединены между собой параллельно и подключены к силовому выходу частотно-регулируемого преобразователя. При этом выходы реверсивных коммутаторов соединены с двигателями. Управляющие входы реверсивных коммутаторов подключены к выходам микроконтроллерной системы управления соответственно через их обмотки управления и размыкающие контакты взаимной блокировки.
В этой станции [2] по сравнению с аналогом [1] расширены функциональные возможности за счет введения микроконтроллерной системы управления, которая позволяет управлять работой частотно-регулируемого преобразователя, обеспечивая плавный пуск и торможение любого электродвигателя, а также поддерживать и регулировать технологические параметры в автономном режиме.
Однако такая станция автоматического управления частотно-регулируемого электропривода переменного тока характеризуется и рядом существенных недостатков и, прежде всего низкой надежностью при переключениях питания двигателей с выхода преобразователя частоты на трехфазную питающую сеть и наоборот, поскольку выходное напряжение преобразователя не синхронизировано с фазами напряжения сети. В наиболее тяжелом случае, при переключениях в момент времени, когда указанные напряжения находятся в противофазе, реализуется практически аварийный режим, сопровождающийся ударными перегрузками двигателя, приводного механизма и преобразователя. Исключить такого рода режимы возможно только увеличением установленной мощности преобразователя, но при этом возрастают электромагнитные и механические нагрузки на двигатели и исполнительные механизмы, что приводит к снижению надежности работы не только станции, но и продуктопроводов из-за возникновения гидродинамических ударных нагрузок. Также неоправданным является использование в едином технологическом оборудовании промышленного микроконтроллера и микропроцессорной системы управления частотно-регулируемым преобразователем
с соответствующими программными и аппаратными средствами обмена информацией. Это приводит к снижению надежности станции ее существенному удорожанию и, кроме того, не решает в полной мере задачи энергосбережения и автоматического управления, так как для изменения суточной и сезонной программы обслуживающему персоналу необходимо посещение насосной станции и перепрограммирование микроконтроллера.
Задачей полезной модели является дополнительное расширение функциональных возможностей, и повышение надежности станции автоматического управления частотно-регулируемого электропривода.
При решении этой задачи достигается технический результат, заключающийся в оперативном регулировании технологического параметра, его поддержании единой системой управления, а также в постоянном контроле состояния оборудования.
Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что станция автоматического управления частотно-регулируемого электропривода, как и прототип, содержит систему управления станции, включающую микропроцесорную систему управления и преобразователь; датчик технологического параметра, соединенный с системой управления станции. Кроме того, она содержит реверсивные коммутаторы по числу используемых электродвигателей; электродвигатели, подключенные к выходам реверсивных коммутаторов, снабженных двумя управляющими и двумя силовыми входами. Первые силовые входы реверсивных коммутаторов соединены между собой параллельно и подключены к трехфазной силовой сети с нулевым проводом, которая в свою очередь соединена с силовым входом преобразователя. Вторые силовые входы реверсивных коммутаторов соединены между собой параллельно и подключены к силовому выходу преобразователя.
В отличие от прототипа система управления станции дополнительно содержит модуль телеметрического управления, таймер реального времени и модуль аналоговых входов, выходы которых соединены с входами микропроцессорной системы управления. Одни выходы микропроцессорной
системы управления связаны с входом дополнительно веденного модуля программируемых дискретных выходов; соединенных с управляющими входами реверсивных коммутаторов. При этом другие выходы микропроцессорной системы управления подключены к управляющим входам силовой цепи преобразователя. Кроме того, таймер реального времени снабжен энергонезависимой памятью. Выход датчика технологического параметра подключен к входу модуля аналоговых входов. Отличием от прототипа является также то, что система управления дополнительно содержит модуль фазовой автоподстройки частоты, выход которого связан с соответствующим входом микропроцессорной системы управления, а его вход соединен с трехфазной питающей сетью. Реверсивные коммутаторы в заявляемой полезной модели выполнены твердотельными, например, с использованием семисторов.
Совокупность существенных признаков станции автоматического управления частотно-регулируемого электропривода, заявляемой в качестве полезной модели, не известна заявителю из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» полезной модели.
Отличительные признаки полезной модели в совокупности с известными признаками обеспечивают технический результат, заключающийся в оперативном регулировании технологического параметра и постоянном контроле состояния оборудования, а также в поддержании технологического параметра единой системой управления. Это достигается тем, что при включении напряжения питающей сети микропроцессорная система управления преобразователем опрашивает выходы модулей телеметрического управления, аналоговых входов, таймера реального времени, фазовой автоподстройки частоты, определяя тем самым состояние всех блоков станции. Текущие значения задающих сигналов принимаются микропроцессорной системой управления с выхода модуля телеметрического управления. Они сравниваются с текущими значениями технологического параметра, поступающими с выхода модуля аналоговых сигналов, а затем по полученным результатам микропроцессорная система управления вырабатывает соответствующие
сигналы управления, поступающие на управляющие входы силовой цепи преобразователя и через модуль дискретных выходов на управляющие входы реверсивных коммутаторов.
Сигнал ошибки при этом имеет максимальное значение, при котором на управляющий вход реверсивного коммутатора основного на текущий момент двигателя подается сигнал на подключение этого двигателя к выходу преобразователя. По мере плавного увеличения частоты вращения двигателя сигнал ошибки будет снижаться до тех пор, пока не попадет в установленный коридор технологического параметра. В этом случае поддержание производительности реализуется системой управления станции. При отклонении сигнала ошибки в меньшую сторону производится наращивание производительности путем последовательного плавного разгона очередного двигателя, фазовой автоподстройки частоты и подключения его на питание от силовой сети в моменты времени, когда фазы выходного напряжения преобразователя совпадают с фазами трехфазной питающей сети. При отклонении в большую сторону производится снижение производительности последовательным отключением работающих двигателей от силовой сети с плавным торможением одного из них. В случае аварийного отключения силовой цепи преобразователя, перечисленные выше действия, выполняются по известному алгоритму без плавного разгона или торможения электродвигателей. Информация о текущем состоянии станции через модуль телеметрического управления передается на диспетчерский пульт управления.
Таким образом, поддержание технологического параметра производится единой системой управления, объектно-ориентированным программным обеспечением, исключающим возможность аварийного переключения двигателей, что расширяет функциональные возможности станции и делает ее более надежной в эксплуатации по сравнению с прототипом.
Полезная модель поясняется чертежами. На Фиг.1 приведена блок-схема станции автоматического управления частотно-регулируемого электропривода переменного тока. На фиг.2 приведены временные диаграммы,
поясняющие процесс фазовой автоподстройки частоты. На фиг.3 приведены диаграммы, поясняющие процессы переключения двигателя в случае отсутствия синхронизации.
Станция автоматического управления частотно-регулируемого электропривода содержит систему управления станцией 1, которая включает микропроцессорную систему управления 2, одни из выходов 3 которой подключены к управляющим входам силовой цепи преобразователя 4. Станция содержит также реверсивные коммутаторы 5 по числу используемых двигателей; датчик технологического параметра 6; двигатели 7, подключенные к выходам 8 реверсивных коммутаторов, снабженных двумя управляющими 9, 10 и двумя силовыми 11, 12 входами. Одни силовые входы 11 соединены с трехфазной питающей сетью 13, а другие входы 12 подключены к выходу 14 преобразователя 4 системы управления станции 1. Силовой вход 15 преобразователя 4 соединен с трехфазной питающей сетью 13. Система управления станции 1 снабжена модулем телеметрического управления 16, таймером реального времени 17 и модулем аналоговых входов 18, выходы которых 19, 20, 21 соединены с соответствующими входами микропроцессорной системы управления 2. Дополнительные выходы 22 микропроцессорной системы управления 2 связаны с входами дополнительно введенного модуля 23 программируемых дискретных выходов, соединенных с управляющими входами 9, 10 реверсивных коммутаторов 5. Выход 24 датчика технологического параметра 6 подключен к входу модуля 18 аналоговых входов. Для исключения аварийных переключений двигателей 7 станция содержит модуль 25 фазовой автоподстройки частоты, выход 26 которого подключен к дополнительному входу микропроцессорной системы управления 2, а его вход 27 соединен с трехфазной питающей сетью 13. Реверсивные коммутаторы 5 выполнены твердотельными, например, с использованием семисторов.
На фиг.2 и 3 использованы следующие обозначения: 28 - выходное напряжение одной из фаз системы управления станции 1; 29 - напряжение одной из фаз питающей сети 13; 30 - напряжение этой же фазы питающей
сети при отсутствии синхронизации; 31 - ток нагрузки этой же фазы двигателя 7; 32 - сигнал на управляющем входе 9 реверсивного коммутатора 5; 33 - сигнал на управляющем входе 10 реверсивного коммутатора 5; 34, 35 - верхний и нижний уровни напряжения, образующие коридор технологического параметра; 36 - сигнал ошибки контура регулирования технологического параметра; 37, 38, 39 - токи фаз асинхронного электродвигателя; 40, 41 - скорость вращения и динамический момент электродвигателя соответственно, построенные при постоянном моменте сопротивления нагрузки.
д
1
5
a
b
c
Кроме того, на фигурах использованы следующие обозначения: А, В, С - фазы сети, N - нулевой провод, М - обозначение двигателя; U, i - напряжения и токи силовой сети и преобразователя, М - момент двигателя, n - скорость вращения насосного агрегата; t-t - время; i, i, i - токи фаз двигателя 7.
Станция автоматического управления частотно-регулируемого электропривода переменного тока работает следующим образом. В исходном состоянии на силовой вход 15 преобразователя 4 системы управления станцией 1 подается трехфазное сетевое питание. Микропроцессорная система управления 2 определяет конфигурацию системы управления в зависимости от текущего значения задающего воздействия модуля телеметрического управления 16, от величины сигнала с датчика технологического параметра 6, от заданных пороговых уровней, образующих коридор сигнала ошибки технологического параметра, и от работоспособности преобразователя 4. Управление скоростью вращения основного на текущий момент времени двигателя 7 производится по величине сигнала на выходе 24 датчика технологического параметра, поступающего на вход микропроцессорной системы управления 2 с выхода 20 модуля аналоговых входов 18. По минимальному значению сигнала на выходе 24 датчика технологического параметра 6 микропроцессорная система управления 2 на входе 22 модуля программируемых дискретных выходов 23 формирует высокий уровень сигнала на одном из управляющих входов 9 реверсивного коммутатора 5, подключая тем самым
-1
2
c
основной на текущий момент электродвигатель 7 к выходу 14 преобразователя 4. Одновременно, в момент включения, микропроцессорная система управления 2 реализует закон частотно-регулируемого электропривода с «вентиляторной» нагрузкой Мс=К*ω, при которой напряжение и частота связаны между собой известным соотношением U/f=Const (где: М - момент сопротивления нагрузки, К - коэффициент пропорциональности, ω - угловая частота вращения ротора двигателя). На выходе силовой цепи 14 преобразователя 4 формируется напряжение 28 (фиг.2) с широтно-импульсной модуляцией, плавно изменяющееся с заданным темпом от минимального значения до уровня задания. Величина расхода перекачиваемого продукта непрерывно изменяется, что приводит к синхронному изменению технологического параметра (давления) и поддержание его на заданном уровне осуществляется в автоматическом режиме. Например, по мере увеличения давления - напряжение и частота плавно уменьшаются и наоборот.
Далее работа станции автоматического управления возможна в следующих режимах: первый - поддержание технологического параметра с наращиванием производительности насосных агрегатов; второй - поддержание технологического параметра со снижением производительности насосных агрегатов; третий - изменение производительности в зависимости от времени суток по изменению задания на выходе модуля телеметрического управления; четвертый - дискретное поддержание технологического параметра в аварийном режиме работы силовой цепи преобразователя 4.
При работе микропроцессорная система управления 2 сравнивает сигнал, поступающий с датчика 6 технологического параметра, с заданными значениями и принимает следующие решения в зависимости от результатов сравнения. Если величина сигнала недостаточна, то система управления станцией 1 плавно разгоняет подключенный электродвигатель. Одновременно с этим изменяется уровень сигнала с датчика технологического параметра 6. Если производительности этого электродвигателя достаточно, то сигнал ошибки 36 (фиг.2) находится внутри заданного коридора 34-35 и происходит
1
поддержание требуемого уровня технологического параметра (интервал времени 0-t).
1
2
2
3
Если же подключенный электродвигатель насосного агрегата разогнан до номинальной скорости вращения, а сигнал с датчика технологического параметра 6 меньше требуемого значения, сигнал ошибки 36 возрастает (интервал времени t-t) и в момент времени t достигает верхнего уровня 34 заданного коридора ошибки технологического параметра и держится неизменным в течение некоторого времени, то микропроцессорная система управления 2 вырабатывает решение: работающий электродвигатель 7 насосного агрегата переключить на питание прямо от сети и включить для разгона второй электродвигатель. Для чего модуль фазовой автоподстройки частоты 25 сравнивает фазы напряжения 28 (фиг.2) на выходе 14 преобразователя 4 с фазами напряжения питающей сети 29, 30 и, в момент времени t совпадения фаз напряжений 28 и 29, как показано на фиг.2, микропроцессорная система управления 2 на входе 22 модуля программируемых дискретных выходов 23 формирует низкий уровень сигнала 32 на входе 9 реверсивного коммутатора и сигнал 33 высокого уровня на сопряженном управляющем входе 10 этого реверсивного коммутатора 5. Электродвигатель 7 отключается от силового выхода 14 преобразователя 4 и подключается к напряжению питающей сети 13.
Затем микропроцессорная система управления 2 формирует на выходе преобразователя 4 напряжение 28 минимальной частоты и длительности импульсов и сигнал высокого уровня на одном из управляющих входов 9 другого реверсивного коммутатора 5, подключая дополнительный на текущий момент времени электродвигатель 7 к силовому выходу 14 преобразователя 4, являющимся выходом системы управления станцией 1. Электродвигатель плавно увеличивает частоту вращения до тех пор, пока сигнал ошибки 36 технологического параметра не попадет в заданный коридор. Поддержание выходного технологического параметра производится теперь двумя электродвигателями,
один из которых подключен прямо к силовой сети, а другой - к выходу системы управления станцией 1.
При продолжении аналогичной ситуации микропроцессорная система управления станции произведет переключение работающего в номинальном режиме второго электродвигателя на питание от силовой сети и подключит для мягкого пуска следующий электродвигатель к входу преобразователя 4, являющимся входом системы управления станции 1.
На фиг.3 приведены диаграммы, иллюстрирующие процесс переключения электродвигателя в момент времени, когда напряжения сети 13 и преобразователя 4 находятся в противофазе (время t=0,5 с.) в сравнении с процессом прямого пуска двигателя (время 0<t<0,5 с.). При прямом пуске токи фаз 37, 38, 39 (фиг.3) в 6-7 раз превышают номинальные значения этих токов в установившемся режиме, для снижения которых и предназначены станции автоматического управления электроприводами. Однако при этом, в процессе переключения электродвигателя с силового выхода преобразователя 4 на питание от трехфазной сети 13, без синхронизации напряжений, перегрузки по току фаз 37-39 достигают пятнадцатикратных значений (время t>0,5 с.) и это сопровождается провалами скорости вращения 40 механизмов до 40% и двадцатикратными перегрузками по моменту вращения 41. Такие динамические перегрузки приводят не только к перегрузкам сети, электродвигателей и механизмов, но и порождают гидравлические удары в продуктопроводах.
4
5
При работе во втором режиме, если расход непрерывно снижается, преобразователь 4 будет тормозить электродвигатель, подключенный к его выходу 14. Сигнал ошибки технологического параметра начнет снижаться, а когда частота и напряжение 28 преобразователя 4 принимают минимальные величины, то сигнал ошибки 36 достигнет минимального уровня 35 (фиг.2 момент времени t) заданного коридора. Микропроцессорная система управления 2 в этот момент времени t вырабатывает сигнал 33 низкого уровня, поступающий на нечетный управляющий вход реверсивного коммутатора,
отключая тем самым заторможенный электродвигатель, однако отключение произойдет тогда, когда токи фаз 31 (фиг.2) снизятся до нулевого значения. После этого система управления станции 1 формирует на выходе 14 преобразователя 4 максимальные значения напряжения и частоты. После того как величина и фазы напряжений 28 и 29 на выходе 14 преобразователя 4 и трехфазной питающей сети 13 совпадут система управления 1 формирует сигнал 32 на переключение электродвигателя, получающего питание от сети 13 к выходу системы управления станции 1 (к выходу преобразователя 4). Теперь этот электродвигатель осуществляет функцию стабилизации технологического параметра и, если сигнал ошибки 36 снижаясь, снова выйдет из заданного коридора он окажется заторможенным и т.д. При отключении напряжения питающей сети энергонезависимая память таймера реального времени 17 сохраняет информацию о текущем времени и предаварийных параметрах работы станции.
Системы холодного и горячего водоснабжения характеризуются существенными суточными колебаниями расхода, поэтому суточное регулирование производительности позволяет получить дополнительную экономию электроэнергии, снижая задающее воздействие в ночное время по таймеру реального времени 17, а по сигналу с диспетчерского пункта устанавливается сезонная производительность агрегатов.
В случае отказа в работе преобразователя 4 в зависимости от уровня сигнала с датчика технологического параметра 6 микропроцессорная система управления 2 подключает (или отключает) двигатели насосных агрегатов на непосредственное питание от силовой сети до момента посещения ЦТП обслуживающим персоналом.
Приведенный пример выполнения заявляемой станции автоматического управления частотно-регулируемого электропривода не ограничивает другие возможные примеры реализации данного устройства его модулей и блоков.
Полезная модель промышленно применима и может быть многократно реализована с использованием современной элементной базы и модулей. Модуль телеметрического управления 16 может быть выполнен, например, в виде GSM модема. Модуль аналоговых входов 18 представляет собой внешние или встроенные в микропроцессор аналого-цифровые преобразователи. Таймер реального времени 17, при наличии энергонезависимой памяти, может быть реализован как аппаратными, так и программными средствами. Принцип построения модуля фазовой автоподстройки частоты 25 сводится к формированию из трехфазной системы напряжений питающей сети системы синфазных прямоугольных напряжений, преобразовании их в цифровой код и сравнении с текущим кодом частоты выходного напряжения преобразователя, например цифровым компаратором. Поскольку частота сети и частота преобразователя 4 отличаются друг от друга, то фазы этих напряжений постоянно смещаются друг относительно друга со скоростью, пропорциональной разности частот. В момент равенства фаз напряжений 28 и 29 формируется сигнал, разрешающий переключение реверсивных коммутаторов 5. Это позволяет существенно увеличить срок службы и обеспечить повышение надежности работы системы автоматического управления насосных агрегатов и реализовать энергосберегающие режимы работы станции управления.
Заявляемая полезная модель может быть использована в коммунальном хозяйстве и в других отраслях, а именно в технологических процессах, когда технологические параметры изменяются в широком диапазоне.