УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ДВИГАТЕЛЯМИ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СИСТЕМЫ
CONTROL OVER DRIVE MOTORS OF FIRE-FIGHTING SYSTEM PUMP PLANT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к противопожарным системам и, в частности, к системам пожаротушения тонкораспыленной водой высокого давления.
Задача настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства для управления электродвигателями насосной установки противопожарной системы, такой как система пожаротушения тонкораспыленной водой и, в частности, система пожаротушения тонкораспыленной водой высокого давления.
Уровень техники
В настоящее время в противопожарных системах, например системах водяного пожаротушения, в частности устройствах пожаротушения тонкораспыленной водой высокого давления, используются насосные установки, включающие в себя электродвигатели переменного тока, механические приводы, водяные насосы высокого давления и перепускные клапаны, выполненные с возможностью регулирования давления во включенном состоянии, как правило, до давления выше 100 бар, например 140-180 бар. Обычно между насосами высокого давления и электродвигателями расположен приводной механизм, в котором мощность, полученная от вала электродвигателя, может быть поделена между одним или несколькими насосами высокого давления с возможностью достижения заданной водоотдачи. Вода поступает в насосы высокого давления из собственного резервуара установки.
Установка пожаротушения тонкораспыленной водой высокого давления обычно работает таким образом, что ее давление в режиме ожидания имеет малое значение, например 25 бар, поддерживаемое, например, пневматическим резервным насосом. В дополнение к резервному насосу, система может иметь датчик потока, расположенный в водонапорной трубе. При повышении температуры, в защищенном от пожара пространстве, выше тепловой характеристики форсунок имеет место разлом термоампулы в распылителе, обеспечивающий протекание тонко распыленнной воды в защищенное пространство. Резервный насос, пытаясь поддерживать в трубопроводе давление в 25 бар, начинает подавать больше воды в трубопровод, обеспечивая ее протекание. Это протекание воды может быть зафиксировано датчиком потока, выполненным с возможностью подачи сигнала на запуск насосной установки. Контроль давления в трубопроводе может быть обеспечен установленным в нем реле давления. Датчик потока выполнен таким образом, что при отказе резервного насоса и наличии потока в трубопроводе он не получает данных о потоке. Следовательно, запуск насосной установки не может быть осуществлен сигналом датчика потока. Вследствие слишком низкого давления, при падении значения давления в трубопроводе ниже заданного предела и сохранении этого значения в течение некоторого времени, запуск насоса может быть выполнен реле давления.
При пуске (активации) насосов в известных насосных установках, в свою очередь, может быть осуществлен автоматический пуск электродвигателей насосов, подключенных непосредственно к питающей сети, под управлением реле времени с небольшой задержкой. При превышении водоотдачей насосной установки заданной скорости потока воды, избыточная часть потока может поступать, через перепускные клапаны, обратно в резервуар для воды. Как правило, вращение водяного насоса высокого давления может быть обеспечено трехфазными электродвигателями переменного тока, подключенными к трехфазной питающей сети переменного тока.
Таким образом, для работы известных насосных установок необходимы резервуар для воды, перепускные клапаны и отдельный резервный насос, что делает их относительно сложными, громоздкими и дорогостоящими.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в устранении недостатков уровня техники и разработке совершенно нового способа и устройства управления электродвигателями переменного тока насосной установки противопожарной системы, например установки пожаротушения тонкораспыленной водой.
Решение поставленной задачи согласно настоящему изобретению основано на использовании частотного преобразователя, посредством которого один из двигателей соединен с питающей электрической сетью. Посредством частотного преобразователя может быть получено переменное напряжение и переменное напряжение переменной частоты, с помощью которых может быть осуществлено управление одним из двигателей привода насоса.
В одном из примеров реализации изобретения, частотный преобразователь имеет жесткое соединение с одним электродвигателем переменного тока.
В другом примере реализации изобретения частотный преобразователь может быть соединен с каким-либо другим электродвигателем переменного тока привода насоса.
Отличительные признаки способа и устройства согласно изобретению более подробно раскрыты в независимых пунктах 1 и 9 формулы изобретения. Предпочтительные примеры реализации изобретения раскрыты в других пунктах формулы изобретения.
Настоящее изобретение позволяет создать экономически эффективную резервную систему управления для насосной установки, обеспечивающую дополнительные преимущества для потребителя (в т.ч. оптимизацию электро- и водопотребления, а также возможность уменьшения пиков пускового тока электродвигателей).
В насосной установке согласно изобретению отсутствует необходимость в отдельном резервуаре для воды, перепускных клапанах и резервном насосе, что делает насосные установки простыми с механической точки зрения и компактными. Кроме того, настоящее изобретение позволяет избежать проблем, вызванных, в основном, большим запаздыванием (гистерезисом) механических перепускных клапанов, а также нагревом воды и насосов, возникающим в результате циркуляции воды. Таким образом, механизм насосной установки может быть значительно упрощен по сравнению с известными из уровня техники решениями.
В дополнение, устройство требует наличия только одного частотного преобразователя, параллельно которому может быть подключен второй, резервный частотный преобразователь, обеспечивающий бесперебойную работу устройства, сохраняющего, при этом, простоту своей конструкции. Кроме того, за счет изменения циклов пуска может быть сбалансирован износ двигателей и насосов.
Краткое описание чертежей
Ниже приведено более подробное описание изобретения на основе примеров его реализации со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
на фиг.1 показана упрощенная блок-схема системы пожаротушения тонкораспыленной водой высокого давления по настоящему изобретению и устройства управления насосной установкой этой системы с одним электродвигателем, управляемым частотным преобразователем;
на фиг.2 показана принципиальная электрическая схема цепи электродвигателя согласно одному из примеров реализации настоящего изобретения;
на фиг.3 показана принципиальная электрическая схема цепи электродвигателя согласно второму примеру реализации настоящего изобретения; а
на фиг.4 показана блок-схема системы управления согласно изобретению;
на фиг.5 показана блок-схема второй системы управления согласно изобретению;
фиг.6 иллюстрирует работу системы управления, изображенной на фиг.5;
фиг.7 также иллюстрирует работу системы управления, изображенной на фиг.5.
Осуществление изобретения
Противопожарная система, например система водяного пожаротушения, в частности система пожаротушения тонкораспыленной водой высокого давления, содержит распылительные головки с форсунками, расположенные в защищенной от пожара области, насосную установку, а также трубопровод с механизмами управления клапанами, обеспечивающими прохождение потока средства пожаротушения от насосной установки к форсункам. Насосная установка включает в себя несколько приводов насоса, каждый из которых состоит из насоса высокого давления и вращающего его электродвигателя переменного тока.
Работа системы по изобретению аналогична рассмотренной выше работе известной системы, выбранной в качестве прототипа, т.е. при повышении температуры в защищенном от пожара пространстве выше тепловой характеристики форсунок имеет место разлом термоампулы в распылителе, обеспечивающий тонкое распыление воды в защищенном пространстве. В настоящем изобретении управляемый частотным преобразователем резервный насос, которым может служить насос высокого давления, выполнен с возможностью поддержания в трубопроводе давления в барах и подачи в трубопровод большего количества воды, что влечет за собой ее движение. Если работы резервного насоса не достаточно для поддержания давления холостого хода в заданное время, системой управления может быть осуществлен запуск насосной установки. Специалистам в данной области хорошо известны общее устройство и работа системы пожаротушения тонкораспыленной водой высокого давления, да это и не важно для настоящего изобретения, поэтому устройство системы не представлено на прилагаемых чертежах, а описание работы не будет подробно рассмотрено в приведенном ниже описании изобретения.
На фиг.1 показана упрощенная блок-схема системы пожаротушения тонкораспыленной водой высокого давления по настоящему изобретению и устройства управления электродвигателями насосной установки. На чертеже показаны насосы высокого давления 101 и вращающие их трехфазные электродвигатели переменного тока 102. От водопроводной магистрали 103 вода может поступать через магистральный трубопровод 104 к насосам и далее, через второй магистральный трубопровод 105, к форсункам 112, а подвод электроэнергии к двигателям может быть осуществлен от трехфазной сети 106 через трехфазные питающие кабели 107.
В устройстве по изобретению один электродвигатель 102 подключен к питающей электросети через частотный преобразователь 108, при этом управление рассматриваемым двигателем может быть осуществлено при переменной частоте и переменной амплитуде трехфазного напряжения переменного тока 109. Частотный преобразователь, которым может служить, например, управляемый напряжением частотный преобразователь с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), содержит подключенный к сети выпрямительный мост, промежуточный контур постоянного тока и преобразовательный мост, питающий электродвигатель.
Датчики давления (датчики перепада давления) 110 соединены с магистральным трубопроводом форсунок, а датчики, например, двигатели и частотный преобразователь, соединены с блоком управления (РСВ) 111 системы. Для дублирования, как правило, могут быть использованы два датчика давления, которые, кроме того, могут быть соединены с различными платами ввода/вывода (IOC-card) (см. фиг.4). Фиг.2 характеризует основную концепцию, на уровне главной цепи, в которой частотный преобразователь имеет жесткое соединение с одним электродвигателем. Насосная установка содержит шесть трехфазных электродвигателей переменного тока 203a-f, подключенных через выключатели (плавкий предохранитель) 202a-f к трехфазной сети 201. Управление одним электродвигателем может быть осуществлено частотным преобразователем 204, соединенным с электродвигателем посредством первого контакторного устройства 205, либо питание электродвигателя может быть осуществлено непосредственно от сети через второе контакторное устройство 206а, таким образом, что электродвигатель может быть подключен к сети непосредственно (KD контакторы) или через частотный преобразователь (FC) (KF контактор). Остальные электродвигатели могут быть подключены непосредственно к сети через контакторы 206b-206f. Для управления контакторами может быть использован отдельный электронный блок управления (Система управления РСВ) 211.
Электродвигатель, управляемый частотным преобразователем, выполнен с возможностью плавного точного регулирования давления при пуске и эксплуатации насосной установки, а пуск остальных электродвигателей, обеспечивающих плавную регулировку, до номинальной скорости с "грубой синхронизацией", может быть осуществлен непосредственным их включением в сеть, причем их количество может быть выбрано из условия создания требуемой водоотдачи с задержкой времени. Таким образом, насосами может быть создано соответствующее давление. Кроме того, в режиме ожидания системы, малое давление, например 25 бар, может поддерживаться в ней с помощью электродвигателя, управляемого частотным преобразователем, а не с помощью известного резервного насоса.
Фиг.3 характеризует пример реализации изобретения согласно изобретению, так называемую концепцию синхронизации сети, согласно которой регулирование давления может быть выполнено точно тем же самым способом, что и в рассмотренном выше примере, но частотный преобразователь 304 может быть соединен с любым из двигателей. Для этого каждый двигатель имеет два контактора, 305a-f (KD контакторы) и 306a-f (FC контакторы), каждый из которых соединен с отдельным электронным блоком управления 311. Кроме того, частотный преобразователь подключен к сети посредством собственного выключателя 307. Такая концепция необходима вследствие большого количества потребляемой энергии, поскольку пики тока электродвигателей при прямом пуске могут создавать проблемы для питающей сети. Двигатели синхронизированы по частоте и фазе главной сети, при этом они могут быть подключены к ней без значительных пиков тока. Измерительный трансформатор 308 Т9В подключен к сети через собственный выключатель 309, а также к аналоговому входу частотного преобразователя. Таким образом, частотный преобразователь может быть выполнен с возможностью измерения собственного выходного напряжения и фазы главной сети, а также передачи сообщения управляющей электронике относительно момента синхронизации.
На фиг.4 показана распределенная управляющая электроника блока управления, управляемая посредством шины. Насосная установка содержит отдельный пусковой блок, общий для всех двигателей и частотного преобразователя, собранный из готовых модулей, в которых размещена управляющая электроника блока управления. Блок содержит панель пользователя (PUP) 401 для привода насоса, которая может служить пользовательским интерфейсом, плату блока управления (контроллер) (PUC) 402 насосной установки, платы подключения (MCI) 403 для управления электродвигателем, плату подключения (FCI) 404 для управления частотным преобразователем, а также плату ввода/вывода (IOC) 405. Обмен данными между платами управления может быть выполнен по резервной двунаправленной шине сети локальных контроллеров (CAN-шине) 406. Для дублирования, к системе могут быть подключены две платы блока управления (PUC) насосной установки и две платы подключения (FCI) для управления частотным преобразователем (т.е. также два частотных преобразователя).
Управление системой по изобретению может быть осуществлено посредством синхронизации напряжения сети (сетевая синхронизация), при которой могут быть измерены напряжение сети и напряжение двигателя, а частота двигателя может быть синхронизирована с частотой сети (см. фиг.6).
Для получения от сетевой синхронизации оптимального экономического эффекта должно быть известно время опережения, требуемое для работы контактора. Кроме того, для упрощения процесса управления это время опережения должно быть одинаковым для всех двигателей.
Многие параметры резервной CAN-шины могут затруднить установку времени опережения; например:
- число плат подключения в сети, поскольку каждая плата подключения, как правило, вызывает задержку прохождения сигнала примерно на 1 секунду;
- тракт прохождения сигнала; т.к. при наличии проблем в соединении, тракт прохождения сигналов может быть более длинным или более коротким.
Согласно изобретению для решения этой проблемы может быть использована система, изображенная на фиг.5, выполненная таким образом, что критические по времени сигналы, которыми могут служить сигналы синхронизации, сигналы на включение контакторного устройства для соединения с сетью (KF), отключение контакторного устройства для соединения с частотным преобразователем (KD), могут быть выработаны локально в плате подключения (FCI) для управления частотным преобразователем и плате подключения (MCI) для управления двигателем, а необходимость их передачи в прямом и обратном направлении между платой подключения (FCI) для управления частотным преобразователем и платой подключения (MCI) для управления двигателем и блоком управления (PUC) для насосной установки отсутствует.
Кроме того, платы подключения (FCI) для управления частотным преобразователем и платы подключения (MCI) для управления двигателем соединены между собой гальванически с помощью проводников 501-504 через содержащиеся в них синхронизирующие соединители, таким образом, что один проводник 501 соединяет плату подключения частотного преобразователя с первой платой подключения двигателя, а второй проводник 502 соединяет первую плату подключения двигателя с платой подключения второго двигателя, и т.д.
Соответствующим образом, проводник 503, показанный штрихпунктирными линиями, соединяет синхронизирующий соединитель второй платы подключения частотного преобразователя с платой подключения двигателя, а двигатели, кроме того, соединены друг с другом с помощью проводника 504.
line
FC
M
Ниже приведено описание работы устройства, со ссылкой на фиг.6 и 7, в дополнение к фиг.5, характеризующие напряжение U сети, напряжение U частотного преобразователя и напряжение U двигателя по оси времени t (рис.6); сигнал запуска синхронизации (start sync) от блока управления (PUC) для насосной установки, управляющее устройство контактора (KF) для соединения с сетью FC, статус контактора (KF) для соединения с сетью FC, управляющее устройство контактора (KD) для соединения с частотным преобразователем, подключенного непосредственно к сети, а также статус контактора (KD) для соединения с частотным преобразователем, подключенного непосредственно к сети по той же оси времени, что и для напряжения двигателя (фиг.7).
1
2
3
4
5
В момент времени t (фиг.6 и 7) блоком управления (PUC) для насосной установки может быть выдан сигнал запуска синхронизации. При этом работа одного из двигателей, например 203а, может быть осуществлена под управлением частотного преобразователя. В момент времени t синхронизация может быть завершена, и частотным преобразователем может быть выдан сигнал о выполнении синхронизации. В момент времени t могут быть выданы команды на останов FC и на размыкание контактора (KF) для соединения с сетью. После этого, в момент времени t контактор (KF) для соединения с сетью может быть разомкнут и выдана команда на замыкание контактора (KD) для соединения с частотным преобразователем, причем при замыкании контактора (KD) для соединения с частотным преобразователем с задержкой возможно свободное вращение двигателя до момента времени t, в который контактор (KD) для соединения с частотным преобразователем может быть замкнут, а электродвигатель переменного тока подключен непосредственно к сети.
1
4
На фиг.7 далее показаны соединения контакторов в рассматриваемом блоке управления. Из чертежа видно, что сигнал запуска синхронизации может быть выдан в промежутке между t1-t3, сигнал о выполнении синхронизации может быть выдан в промежутке между t2-t3, а сигнал запуска FC и блока управления контактора (KF) для соединения с сетью FC может быть выдан даже до момента времени t и вплоть до момента времени t3, при этом блок управления контактора (KF) для соединения с сетью FC будет оставаться замкнутым во время размыкания с запаздыванием вплоть до момента времени t. Управляющее устройство (управление контактором (KF) для соединения с сетью) контактора (KD) для соединения с частотным преобразователем, подключенного непосредственно к сети, выполнено с возможностью управления замыканием контактора (KD) для соединения с частотным преобразователем после t4, а контактор KD, подключенный непосредственно к сети, может быть замкнутым до момента времени t5 (статус контактора (KD) для соединения с частотным преобразователем).
Фиг.7 иллюстрирует регулирование скорости двигателя до заданного значения. Идеальная синхронизация фаз, при которой нет пиков тока, может быть достигнута в том случае, когда синхронизация и подключение к сети имеют место при одной и той же фазе напряжения двигателя и напряжения сети, а также при нулевых значениях этих напряжений в момент времени t5 (фиг.6).
1
2
3
4
4
5
Задержка между частотой напряжения FC и синхронизацией фаз, задержка размыкания контактора (KF) для соединения с сетью и задержка размыкания контактора (KD) для соединения с частотным преобразователем показаны на фиг.7 в виде временных интервалов t-t, t-t и t-t. Заданным опережением по фазе может служить временной интервал t2-t3.
Специалистам в данной области понятно, что разные примеры реализации изобретения не могут быть ограничены исключительно рассмотренными выше примерами, в них могут быть внесены изменения в пределах объема изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения. Отличительные признаки, рассмотренные в описании настоящего изобретения в сочетании с другими признаками, могут также считаться независимыми отличительными признаками.