УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫМ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ МАГИСТРАЛЬНЫХ НАСОСОВ

Полезная модель относится к электротехнике, электроприводу и может быть использована для регулирования частоты вращения высоковольтных синхронных электродвигателей насосов, работающих на длинные трубопроводы, например магистральных насосов нефтепроводов.
Известно устройство управления частотно-регулируемого асинхронного электропривода насоса при стабилизации давления /Фираго Б.И. Регулируемые электроприводы переменного тока. - Минск: Техноперспектива, 2006. - стр.188, рис.7.10/. Функциональная схема частотно-регулируемого асинхронного электропривода насоса при стабилизации давления содержит преобразователь частоты, асинхронный двигатель, насос, функциональный преобразователь «частота-напряжение», датчик тока, датчик давления, регулятор частоты, регулятор напряжения, регулятор давления, блок компенсации напряжения, функциональный преобразователь «частота-момент», функциональный преобразователь «давление-частота», задатчик интенсивности, сумматоры.
К недостаткам устройства относится повышенные потери мощности в синхронном двигателе при использовании известного устройства для управления синхронным частотно-регулируемым приводом, а также возможность образования опасных волн давления в трубопроводе при изменении частоты вращения частотно-регулируемых электроприводов насосов, например магистральных насосов нефтепроводов.
Целью полезной модели является снижение потерь мощности в синхронном двигателе и снижение волн давлений в нефтепроводе, возникающих при изменении частоты вращения частотно-регулируемых электроприводов магистральных насосов.
Поставленная цель достигается путем управления током возбуждения и напряжением синхронного двигателя в соответствии с оптимальным соотношением между управляющими параметрами: напряжением, частотой и током возбуждения синхронного двигателя и путем управления скоростью изменения частоты на выходе преобразователя частоты. В результате оптимального управления напряжением, частотой и током возбуждения синхронного двигателя снижаются потери мощности в синхронном двигателе, а в результате управления скоростью изменения частоты на выходе преобразователя частоты, снижаются волны давления в нефтепроводе, возникающие при изменении частоты вращения частотно-регулируемых электроприводов магистральных насосов.
Для достижения поставленной цели в устройство, содержащее преобразователь частоты, синхронный двигатель с обмоткой статора и обмоткой возбуждения, возбудитель, насос, задатчик интенсивности, датчик тока, датчик давления, регулятор частоты, регулятор напряжения, регулятор давления, блок компенсации напряжения, функциональный преобразователь «частота-напряжение», функциональный преобразователь «частота-момент», функциональный преобразователь «давление-частота», первый, второй, третий сумматоры, причем выход преобразователя частоты соединен с обмоткой статора синхронного двигателя, обмотка возбуждения которого соединена с выходом возбудителя, а вал синхронного двигателя соединен с валом насоса, выход задатчика интенсивности соединен с первым входом первого сумматора, выход которого соединен с входом регулятора частоты, входом функционального преобразователя «частота-момент» и первым входом функционального преобразователя «частота-напряжение», причем выход регулятора частоты соединен с первым управляющим входом преобразователя частоты, а выход функционального преобразователя «частота-момент» соединен со вторым входом функционального преобразователя «частота-напряжение», выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход которого через регулятор напряжения соединен со вторым управляющим входом преобразователя частоты, а второй вход соединен с выходом блока компенсации напряжения, вход которого соединен с датчиком тока статора синхронного двигателя; выход датчика давления в трубопроводе соединен с первым входом третьего сумматора, на второй вход которого подается сигнал задания давления, а выход которого через регулятор давления и функциональный преобразователь «давление-частота» соединен со вторым входом первого сумматора, введены дополнительно блок расчета допустимой скорости изменения частоты и функциональный преобразователь «частота-ток возбуждения», причем выход блока расчета допустимой скорости изменения частоты соединен с дополнительным входом задатчика интенсивности, первый вход функционального преобразователя «частота-ток возбуждения» соединен с выходом первого сумматора, второй вход функционального преобразователя «частота-ток возбуждения» соединен с выходом функционального преобразователя «частота-момент», а выход соединен с управляющим входом возбудителя.
На фигуре приведена схема устройства управления синхронным частотно-регулируемым электроприводом магистральных насосов, содержащая преобразователь частоты 1, синхронный двигатель 2, насос 3, функциональный преобразователь 4 «частота-напряжение», датчик 5 тока, датчик 6 давления в трубопроводе 7, регулятор 8 частоты, регулятор 9 напряжения, регулятор 10 давления, блок 11 компенсации напряжения, функциональный преобразователь 12 «частота-момент», функциональный преобразователь 13 «давление-частота», задатчик 14 интенсивности, сумматоры 15, 16, 17, блок 18 расчета допустимой скорости изменения частоты, функционального преобразователя 19 «частота-ток возбуждения», возбудитель 20.
C
C
B
Устройство работает следующим образом. От питающей электрической сети на силовые входы преобразователя частоты 1 подается трехфазное напряжение сети U частотой f. К обмотке статора синхронного двигателя 2 от преобразователя частоты 1 подводится напряжение U частотой f, а к обмотке возбуждения синхронного двигателя 2 от возбудителя 20 подводится ток возбуждения I. Синхронный двигатель 2 приводит во вращение магистральный насос 3 с требуемой частотой вращения n в установившихся режимах перекачки жидкости по трубопроводу 7 и требуемой скоростью изменения частоты вращения Δn/Δt при регулировании режимов перекачки.
3
14
14
13
Сигнал задания f требуемой частоты на выходе преобразователя частоты 1, а, следовательно, и требуемой скорости n вращения насоса 3, поступает на первый вход задатчика 14 интенсивности. На второй вход задатчика 4 интенсивности поступает сигнал с выхода блока 18 расчета допустимой скорости изменения частоты. В блоке 18 расчета допустимой скорости изменения частоты в соответствии с параметрами режима перекачки нефти по трубопроводу определяется такая предельно допустимая скорость изменения частоты вращения насоса 3, при которой в трубопроводе 7 не будут возникать опасные волны давления. При этом задатчик 14 интенсивности изменяет сигнал U на своем выходе с допустимой скоростью. Сигнал U с выхода задатчика 14 интенсивности поступает на первый вход сумматора 15, на второй вход которого поступает сигнал U с выхода функционального преобразователя 13 «давление-частота».
з
Давление, создаваемое в трубопроводе насосом 3, измеряется датчиком 6 давления. От датчика 6 давления сигнал поступает на сумматор 17, где сравнивается с заданным значением давления р. С выхода сумматора 17 сигнал поступает на регулятор 10 давления. Регулятор 10 давления выполняет функции ограничителя давления и обеспечивает допустимый диапазон давлений в трубопроводе 7. С выхода регулятора 10 давления сигнал поступает на вход функционального преобразователя 13 «давление-частота».
14
13
f
f
В сумматоре 15 сигнал U с выхода задатчика 14 интенсивности сравнивается с сигналом U «отклонение частоты» с выхода функционального преобразователя 13 «давление-частота». При этом на выходе сумматора 15 формируется сигнал U, Сигнал U с выхода сумматора 15 поступает на первые входы функционального преобразователя 12 «частота-момент», функционального преобразователя 19 «частота-ток возбуждения», функционального преобразователя 4 «частота-напряжение» и на вход регулятора 8 частоты.
MC
На второй вход функционального преобразователя 12 «частота-момент» поступают параметры режима перекачки жидкости по трубопроводу 7. В функциональном преобразователе 12 «частота-момент» по параметрам режима перекачки рассчитывается момент сопротивления магистрального насоса 3. Сигнал U, пропорциональный моменту сопротивления магистрального насоса с выхода функционального преобразователя 12 «частота-момент» поступает на второй вход функционального преобразователя 4 «частота-напряжение», а также на второй вход функционального преобразователя 19 «частота-ток возбуждения».
4
4
16
B
В
Сигнал U с выхода функционального преобразователя 4 «частота-напряжение» поступает на первый вход сумматора 16, на второй вход которого поступает сигнал с выхода блока 11 компенсации напряжения. В блоке 11 компенсации напряжения по измеренному с помощью датчика 5 тока статора рассчитывается падение напряжения на активном сопротивлении статорной обмотки. В сумматоре 16 сигнал U с выхода функционального преобразователя 4 «частота-напряжение» складывается с сигналом, поступающим с выхода блока 11 компенсации напряжения. Сигнал напряжения U с выхода сумматора 16 поступает на вход регулятора 9 напряжения. Сигналы с выхода регулятора 9 напряжения и сигнал с выхода регулятора 8 частоты поступают на управляющие входы преобразователя частоты 1. Преобразователь частоты 1 формирует требуемую частоту f и требуемую величину напряжения питания U обмотки статора синхронного двигателя 2. Сигнал I с выхода функционального преобразователя 19 «частота-ток возбуждения» поступает на управляющий вход возбудителя 20 и формирует требуемую величину тока возбуждения I синхронного двигателя.
f
MC
В
Синхронный двигатель 2 приводит во вращение магистральный насос 3 с требуемой частотой вращения n и требуемой скоростью изменения частоты вращения Δn/Δt при регулировании режимов перекачки. Скорость изменения частоты Δn/Δt задается в блоке 18 расчета допустимой скорости изменения частоты так, чтобы в трубопроводе 7 не возникали опасные волны давления. Функциональный преобразователь 4 «частота-напряжение» и функциональный преобразователь 19 «частота-ток возбуждения» в соответствии со значениями сигнала U, который управляет частотой питающего напряжения на выходе преобразователя частоты 1, и сигнала U, пропорционального моменту сопротивления насоса, формируют такие значения напряжения U на выходе преобразователя частоты 1 и тока возбуждения I на выходе возбудителя 20, при которых потери мощности в синхронном двигателе 2 будут минимальными.
В
В
Напряжение U, частота f и ток возбуждения I являются управляемыми переменными. Они связаны уравнением, которое определяет соотношение между значениями управляемых переменных. Если ток возбуждения I изменять в функции напряжения U и его частоты f по критерию минимума потерь мощности в синхронном двигателе 2, то потери мощности в синхронном двигателе 2 будут меньше, чем в известном устройстве.
Таким образом, предлагаемое устройство, во-первых, позволяет изменять частоту вращения электродвигателя и насоса с допустимой скоростью, что позволяет снизить волны давления в нефтепроводе. И, во-вторых, при регулировании частоты вращения обеспечиваются режим с минимальными потерями мощности в электродвигателе.
В известном устройстве отсутствуют функциональный преобразователь 19 «частота-ток возбуждения» и блок 18 расчета допустимой скорости изменения частоты для управления скоростью изменения частоты на выходе преобразователя частоты 1. В результате при использовании известного устройства вследствие изменения частоты n вращения насоса 3 с большими значениями Δn/Δt в трубопроводе 7 могут возникнуть опасные волны давления, а управление частотой вращения двигателя 2 происходит при повышенных потерях активной мощности в электродвигателе.
Таким образом, предлагаемое устройство управления синхронным частотно-регулируемым электроприводом магистральных насосов позволяет за счет управления током возбуждения синхронного двигателя, снизить потери мощности в синхронном двигателе, и за счет управления скоростью изменения частоты на выходе преобразователя частоты снизить волны давления в нефтепроводе, возникающие при изменении частоты вращения насосов.