Система регулирования электропривода насосного агрегата и способ работы системы
CONTROL SYSTEM OF ELECTRIC DRIVE OF PUMP UNIT AND METHOD OF OPERATION OF SYSTEM

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано, например, в электроприводах питательных насосов электростанций или других насосных агрегатов с большой разницей давления на входе и выходе насоса.
Известны насосные агрегаты, например, питательных насосов ТЭЦ, содержащие два насоса, включенные в магистральный трубопровод последовательно и подающие воду, например, в котел с большой величиной противодавления (Рыжкин, В.Я. Тепловые электрические станции: Учебник для ВУЗов / под ред. В.Я. Гиршфельда - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 328 с. (С. 190-193). Особенностью устройства является то, что в качестве приводного механизма питательного насоса используется паровая турбина, а бустерный насос создает дополнительный подпор перекачиваемого теплоносителя на входе в питательный насос во избежание кавитации. Недостатком устройства является низкая эффективность работы группы насосов на режимах, отличных от номинальных, а также повышенные затраты пара на совершение механической работы.
Также известен способ регулирования насосными агрегатами (Авторское свидетельство СССР №1224449 Способ регулирования подпора бустерного насоса, опубл. в Бюл. №14 от 15.04.1986). Особенностью устройства является то, что необходимое давление на входе в питательный насос поддерживается за счет регулируемого перепуска части теплоносителя, тем самым создается дополнительный подпор перекачиваемой среды на входе в питательный насос во избежание кавитации. Недостатком устройства является низкая надежность работы группы насосов на режимах, отличных от номинальных, а также повышенные затраты электроэнергии на привод насосов.
Известны электроприводы, которые содержат синхронную реактивную электрическую машину с независимым возбуждением (см. Вентильный электропривод с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков // Электротехника. - 2013. - №3. - С. 37-43). Особенностью этого электрического двигателя является то, что фазные обмотки статора выполнены с полным шагом. Это дает возможность независимо регулировать как ток возбуждения, который создается витками секций обмоток, расположенными над межполюсным промежутком, так и якорный (активный) ток, который протекает по виткам секций обмотки статора, расположенным над полюсами ротора, и который создает электромагнитный момент. Недостатком устройства, описанного в указанной публикации, является то, что применительно к многодвигательному электроприводу двухнасосного агрегата в нем затруднено регулирование расхода жидкости из-за чрезмерно высокого (до 200 атмосфер и выше) противодавления со стороны принимающей емкости.
В качестве прототипа выбраны устройство и способ измерения электромагнитного момента в электроприводе с синхронной реактивной машиной (см. патент РФ 2541359, опубл. 10.02.2015, бюл. №4).
В прототипе применена синхронная реактивная машина с независимым возбуждением, обмотки якоря и возбуждения выполнены с полным шагом. В вышеуказанном патенте приведены устройство, состоящее их синхронного реактивного двигателя, датчиков тока, коммутаторов, сумматоров, датчика положения ротора и блоков произведения, и способ измерения электромагнитного момента электродвигателя, заключающееся во включении в каждую обмотку статорной цепи синхронного реактивного двигателя датчика тока, и, в зависимости от текущего положения обмоток относительно полюсов, суммировании отдельных групп сигналов, их перемножении с выдачей результата обратно на вход системы. Однако, в данном случае они не решают задачу регулирования расхода (подачи) жидкости, перекачиваемой насосами.
В основу предлагаемого изобретения положена техническая задача, заключающаяся в расширении функциональных возможностей, таких как регулирование расхода жидкости, перекачиваемой насосным агрегатом с синхронным реактивным двигателем, а также повышении точности работы электропривода насосной установки.
Техническая задача заключается в устранении режима помпажа, при этом устранение этого режима достигается путем установки второго двигателя и регулировании его скорости в функции момента.
Технический результат достигается тем, что система регулирования электропривода насосного агрегата, включающая регулируемый синхронный реактивный двигатель с независимым возбуждением, согласно изобретению, дополнительно содержит главный и вспомогательный насосы, нерегулируемый по скорости синхронный электродвигатель и устройство регулирования подачи жидкости, содержащее управляемый преобразователь частоты, регулятор подачи, датчики тока, датчик положения ротора синхронного двигателя, два коммутатора, два сумматора и блок произведения, причем насосы снабжены на входе и выходе запорными задвижками и дополнительным обводным трубопроводом с третьей запорной задвижкой, насосы включены последовательно, при этом главный насос соединен с нерегулируемым по скорости синхронным электродвигателем, а вспомогательный насос соединен с регулируемым синхронным реактивным двигателем, при этом статорные цепи нерегулируемого синхронного электродвигателя подключены непосредственно к многофазной питающей сети, а регулируемого электродвигателя с независимым возбуждением - через преобразователь частоты к той же сети, управляемый преобразователь, соединен первичными цепями с многофазной питающей сетью, а входными силовыми цепями со статорными обмотками регулируемого синхронного двигателя, выходные клеммы регулятора подачи присоединены к клеммам управляемого преобразователя, а входные клеммы - к выходным клеммам блока произведения, первичные цепи датчиков тока включены в цепи статорных обмоток регулируемого синхронного электродвигателя, а вторичные - на вход коммутатора, датчик положения ротора установлен на валу регулируемого синхронного реактивного двигателя, выходные цепи которого подключены к двум коммутаторам и управляемому преобразователю, входные цепи двух коммутаторов соединены с датчиками тока, а выходные - с входными блоками сумматоров, выходные клеммы которых соединены с блоком произведения, а вторичные - на вход регулятора подачи.
Технический результат также достигают тем, что способ работы системы регулирования электропривода насосного агрегата, состоит в том, что при закрытых входной и выходной задвижках и открытой запорной задвижке на обводном трубопроводе нерегулируемый синхронный и регулируемый реактивный электродвигатели отключены от питающей электросети, затем подключают к электросети управляемый преобразователь, с помощью которого включают синхронный реактивный электродвигатель, жидкость поступает в насосы, причем вспомогательный насос переходит в режим «насос», а главный насос переходит в режим «турбина» и запускает синхронный двигатель на холостом ходу, затем реактивный двигатель достигает синхронной скорости, статорные обмотки синхронного двигателя подключают к питающей электрической сети, после чего открывают входную и выходную задвижки и закрывают запорную задвижку; затем на входные клеммы регулятора подают сигнал задания, соответствующий требуемой величине расхода жидкости насосного агрегата, в то же время на входные клеммы регулятора поступает сигнал с выходных клемм блока произведения, который формируется за счет прохождения через датчики положения ротора синхронного реактивного двигателя, и через два коммутатора и сумматоры, а разность поступивших в регулятор сигналов поступает на входные клеммы управляемого преобразователя, который формирует и подает отрегулированную величину сигнала напряжения и частоты на статорные обмотки синхронного реактивного двигателя, который затем регулирует расход насосного агрегата.
Особенность системы регулирования электропривода насосного агрегата заключается в том, что она содержит два электродвигателя двух насосов, включенных последовательно, первый нерегулируемый синхронный электродвигатель своими статорными цепями подключен непосредственно к многофазной питающей сети, а второй - регулируемый синхронный электродвигатель - к той же сети через управляемый преобразователь, первый электродвигатель выполнен как нерегулируемый синхронный, второй - как регулируемый синхронный реактивный с независимым возбуждением, имеющий датчик положения на роторе, а также датчики фазных токов статора, два коммутатора выходных сигналов датчиков тока, два сумматора этих сигналов и блок произведения, (согласно изобретению) причем на входные клеммы управляемого преобразователя подключены выходные клеммы регулятора системы управления подачей жидкости, на первый вход регулятора подключен источник сигнала, пропорционального заданной величине расхода перекачиваемой насосным агрегатом жидкости, а на второй вход - выход блока произведения.
В способе пуска синхронного электродвигателя насосного агрегата, снабженного запорными задвижками на входе и на выходе, а также дополнительным обводным трубопроводом с третьей запорной задвижкой между выходом первого (главного) насоса и входом второго (вспомогательного) насоса, согласно изобретению сначала закрывают первые две задвижки и открывают третью, затем с помощью управляемого преобразователя разгоняют регулируемый синхронный электродвигатель и вспомогательный насос, тем самым переводят основной насос в режим турбины, разгоняя первый нерегулируемый (синхронный) электродвигатель, когда его скорость увеличится до синхронной, подключают статорные обмотки первого нерегулируемого электродвигателя к питающей сети, после чего открывают первые две задвижки и закрывают третью.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены:
- на фиг. 1 - схема функциональная силовых цепей насосного и электрического оборудования системы регулирования;
- на фиг. 2 - схема функциональная системы регулирования электропривода с устройством регулирования подачи жидкости;
- на фиг. 3 - внешние (напорные) характеристики «напор-подача» насосного агрегата и отдельных насосов.
На фиг. 1 в соответствии с изображенной схемой силовых цепей насосного и электрического оборудования насосы главный 1 и вспомогательный 2 (бустер) включены последовательно между собой, а от магистральной гидравлической линии отделены задвижкой 3 на входе насосного агрегата и задвижкой 4 - на выходе. Между выходом главного насоса 1 и входом вспомогательного 2 подсоединен обводной трубопровод 5, снабженный задвижкой 6.
Вал главного насоса 1 механически соединен с валом первого нерегулируемого синхронного двигателя 7, статорные обмотки которого подключены к промышленной многофазной сети переменного тока. Вал вспомогательного насоса 2 механически соединен с валом регулируемого синхронного реактивного двигателя с независимым возбуждением 8 (СРДНВ), статорные обмотки которого подключены к той же сети переменного тока через управляемый преобразователь 9. На управляющий вход этого преобразователя воздействует регулятор 10 устройства управления подачей жидкости, а на него воздействует сигнал Uвх, соответствующий заданной величине расхода жидкости, перекачиваемой через насосный агрегат.
На фиг. 2 приведена функциональная схема системы регулирования электропривода насосного агрегата с устройством регулирования подачи жидкости;
В соответствии со схемой на валу СРДНВ 8 установлен датчик 11 положения ротора, выходные клеммы которого подключены к первым управляющим входам коммутаторов 12 и 13. Кроме того, выходные клеммы датчика положения 11 подключены на первый вход управляемого преобразователя 9.
В цепь каждой фазы двигателя 8 включены датчики тока 14, а их выходные клеммы подключены ко вторым входным клеммам коммутаторов 12 и 13, а также ко вторым входным клеммам управляемого преобразователя 9. Выходные клеммы коммутатора 12 подключены на вход сумматора 15, а коммутатора 13 - на вход сумматора 16. Выходные клеммы сумматора 15 подключены к первому входу блока произведения 17, а сумматора 16 - ко второму входу блока произведения 17.
На третий управляющий вход управляемого преобразователя 9 подключены выходные клеммы регулятора 10 расхода жидкости насосного агрегата. На первый управляющий вход этого регулятора подается сигнал Uвх, соответствующий заданной величине расхода жидкости насосного агрегата, а на второй управляющий вход - сигнал с выхода блока произведения 17.
На фиг. 3 изображены напорные (внешние) характеристики Н=f(Q) (1) насосного агрегата и отдельных насосов:, где Н - напор жидкости (м), Q - подача жидкости, f - функция, то есть зависимость напора жидкости от ее подачи насосом:
- кривая 21 - напорная характеристика насоса 1;
- кривая 22 - суммарная насосов 1 и 2 (т.е. насосного агрегата в целом);
- кривая 23 - напорная характеристика трубопровода;
- кривые 24, 25 - варианты результирующей напорной характеристики насосного агрегата при различных значениях Uвх и регулировании его напора в функции величины электромагнитного момента двигателя 8.
- кривые 26 и 28 (частные напорные характеристики насосного агрегата) и кривая 27 (частная характеристика нагрузки), которые поясняют принцип работы системы регулирования расхода жидкости в насосном агрегате.
Чтобы не было совпадения обозначений элементов на фиг. 1 и 2 с обозначениями кривых на фиг. 3, обозначения последних начинаются с номера 21 и далее.
Система регулирования электропривода насосного агрегата работает следующим образом.
В исходном состоянии основные элементы всего электрогидравлического комплекса (фиг. 1, 2) находятся в следующем положении. Задвижки 3 и 4 закрыты, а задвижка 6 - открыта. Электродвигатели 7 и 8 отключены от питающей электрической сети и, следовательно, неподвижны.
Сначала подключают к электросети управляемый преобразователь 9 и с его помощью разгоняют электродвигатель 8. Так как задвижки 3 и 4 закрыты, а 6 - открыта, то появляется замкнутый гидравлический контур «насос 2 - насос 1 - трубопровод 5 - задвижка 6». По этому контуру начинает циркулировать жидкость, насос 2 переходит в режим «насос», а насос 1 - в режим «турбина», разгоняя синхронный двигатель 7 на холостом ходу, так как его статорные цепи остаются пока не подключенными к электрической сети. Когда скорость двигателя 8 увеличится до синхронной, подключают статорные обмотки двигателя 7 к питающей электрической сети, после чего открывают задвижки 3 и 4 и закрывают задвижку 6.
После завершения пуска электродвигателей 7 и 8, изменяя величину сигнала Uвх на входе регулятора 10, устанавливают требуемую величину расхода жидкости Q (фиг. 3), перекачиваемой насосным агрегатом.
Этот сигнал Uвх вычитается в регуляторе 10 с сигналом, поступающим с выхода блока произведения 17, на вход которого поступает сигнал с выхода двух сумматоров 15, 16, на которые сигнал поступает с выхода коммутаторов 12, 13, получающих сигнал с выхода датчиков тока 14 и выхода датчика положения ротора 11. Разность сигналов задания Uвх и сигнала с выхода блока произведения 17 подается на управляемый преобразователь 9, который формирует требуемые уровни напряжения и частоты и подает их на статорные обмотки синхронного реактивного регулируемого двигателя 8. В момент подачи сформированных уровней напряжения и частоты на статорные обмотки, датчики тока 14 и датчик положения ротора 11 начинают передавать измененные сигналы на блоки коммутаторов 12, 13, которые, в свою очередь, передают сигналы на блоки сумматоров 15, 16, а с выхода блоков сумматоров сигнал поступает в блок произведения 17, а затем снова в блок регулятора 10. На этот раз, разность входного сигнала и сигнала с выхода блока произведения 17 становится меньше. Цикл повторяется заново до тех пор, пока в блоке регулятора входной сигнал Uвх и сигнал с выхода блока произведения 17 не уравняются. Поскольку разность сигналов становится нулевой, следовательно, величина напора жидкости Н во вспомогательном насосе соответствует требуемой величине расхода жидкости Q насосного агрегата.
Допустим, что установившееся состояние насосного агрегата в какой-то момент времени определяется точкой А1 (см. фиг. 3). В этой точке величины напора Н и подачи насосного агрегата, работающего на некоторой промежуточной внешней характеристике 26, уравновешены падением давления (напора) и расходом на трубопроводе в соответствии с его нагрузочной характеристикой 23. Предположим, что в силу каких-то обстоятельств (например, изменилось противодавление в котле, величина гидравлического сопротивления в магистральном трубопроводе из-за работы задвижек и т.д.) сопротивление движению жидкости возросло и нагрузочная характеристика трубопровода стала соответствовать кривой 27. В нерегулируемом насосном агрегате это приведет к уменьшению подачи до значения, диктуемого точкой А2 пересечения кривых 26 и 27. В гидравлических сетях с большой величиной противодавления снижение расхода, если насос функционирует на рабочем участке своей напорной характеристики, вызывает снижение момента статической нагрузки на валу электродвигателя 8 (фиг. 1, 2). Благодаря устройству регулирования подачи жидкости произойдет увеличение на входе регулятора 10 разницы между сигналом задания Uвх и сигналом на выходе блока произведения 17, последующему увеличению сигнала на выходе регулятора 10, увеличению частоты и напряжения на выходе управляемого преобразователя 9, увеличению скорости двигателя 8, переводящего насосный агрегат на напорную характеристику 28 (фиг. 3). В результате новое состояние равновесия между подачей Q насосного агрегата и падением напора Н в гидравлической сети будет определяться точкой A3, которая по величине расхода отличается от точки А1 только на величину ошибки на выходе устройства регулирования подачи жидкости.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет осуществлять регулирование расхода жидкости, перекачиваемой насосным агрегатом с синхронным реактивным двигателем, а также повысить точность работы электропривода насосной установки.
Устройство и способ управления электроприводом насосного агрегата с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения могут быть рекомендованы к применению в регулируемых электроприводах насосных агрегатов с большой разницей геодезических высот на входе и выходе трубопровода, а также с большой величиной противодавления жидкости со стороны потребителя (например, в питательных насосах на котлах ТЭЦ).