СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА С АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
METHOD FOR FLUID FLOW RATE DETERMINATION FOR CENTRIFUGAL PUMPS WITH ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVES

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при учете и контроле потребления воды и других текучих сред.
Известен способ определения расхода тепла в тепловой сети, содержащей центробежные электронасосы (патент RU 2022235, МПК G01F 9/00, опубл. 30.10.1994). Сущность изобретения: для повышения точности и упрощения измерения расхода тепла измеряют одновременно активную мощность, потребляемую электродвигателем привода насоса, давление на нагнетании и всасе насоса, температуру теплоносителя на подающем и обратном трубопроводах тепловой сети, вычисляют мощность, действующую на валу насоса, и давление на нагнетании, развиваемое собственно насосом, определяют расчетный коэффициент подачи путем давления на мощность и вычитания результата из постоянного числа, равного отношению давления к мощности при нулевой подаче, строят характеристику, отражающую зависимость расчетного коэффициента от подачи, и по ней определяют производительность насоса и умножают на разность температур в подающем и обратном трубопроводах тепловой сети.
1
н
2Т
н
1
2
1
2
1
2
2
1
2
1
1
1
b
2
2
Наиболее близким к заявляемому является способ определения количества текучей среды (патент RU 2108549, МПК G01F 15/07, опубл. 10.04.1998), где измеряют количество электроэнергии А, потребленное электродвигателем привода насоса, имеющего линейную характеристику зависимости потребляемой мощности от подачи N=f(Q), за время Т. Количество V перекачанной воды определяют из математического выражения V=KA - К, где А=η⋅A, K=(Q-Q)/N-N; K=(Q-Q)/(N-N)-Q; Q, N Q, N - координаты двух точек, взятых на границах зоны работы насоса, на его линейной характеристике, η - КПД электродвигателя.
Недостатками известных способов является невысокая точность определения расхода при изменении скорости вращения ротора асинхронного двигателя, а также необходимость определения КПД электродвигателя и использование линейной характеристики зависимости потребляемой мощности от подачи, что в свою очередь ограничивает применение известных способов.
Техническим результатом изобретения является повышение точности определения расхода жидкости центробежных насосов с асинхронными двигателями.
Данный технический результат достигается тем, что измеряют мгновенные величины токов и напряжений статора асинхронного двигателя, преобразуют трехфазные значения токов и напряжений в двухфазные составляющие токов и напряжений, определяют оцененные составляющие тока статора, вычисляют разницу между оцененными значениями составляющих тока статора и текущими значениями составляющих стока статора, определяют оцененные значения составляющих потокосцеплений ротора, по оцененным значениям составляющих тока статора и потокосцепления ротора определяют электромагнитный момент асинхронного двигателя, с помощью оцененных значений составляющих потокосцепления ротора и разниц между оцененными значениями составляющих тока статора и текущими значениями составляющих стока статора определяют момент нагрузки центробежного насоса, с помощью значений электромагнитного момента асинхронного двигателя и момента нагрузки центробежного насоса определяют текущую угловую скорость вращения рабочего колеса центробежного насоса, определяют гидравлическую мощность насоса, по значениям гидравлической мощности и скорости вращения ротора определяют действительный расход насосной установки.
Сущность технического решения поясняется формулами (1-10).
Двухфазные значения токов и напряжений определяются по формулам преобразования [Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. заведений. - 2-е изд., испр. - М.: Издательский центр «Академия», 2007 г. - 272 с.] (1-2):
[i]
А(B,C)
где, u - фазные значения напряжения статора асинхронного двигателя, В;
[i]
А(B,C)
i - фазные значения токов статора асинхронного двигателя;
[
]
Sα(β)
u' - составляющая напряжения статора асинхронного двигателя (измеренное значение), В;
[i]
Sα(β)
i - составляющая тока статора асинхронного двигателя (измеренное значение), А.
[i]
Sα(β)
Оцениваемые значения тока статора определяются через математическое описание асинхронного двигателя в неподвижной системе координат для статорной обмотки, при этом уравнение по второму закону Кирхгоффа дополняется усиленной разницей (невязкой) между измеренными (i) и оцененными значениями  токами статора:
Оцениваемые значения тока статора асинхронного двигателя одной составляющей определяются по формуле (3) в операторном виде (р - оператор дифференцирования) на каждом i-м шаге:
[i]
Sα(β)
где u - составляющая напряжения статора асинхронного двигателя (измеренное значение), В;
[i]
Sα(β)
i - составляющая тока статора асинхронного двигателя (измеренное значение), А;
- составляющая потокосцепления ротора асинхронного двигателя (оцененное значение), Вб;
LIs
k - коэффициент усиления невязок тока, Ом;
R
k - безразмерный параметр асинхронного двигателя, о.е.;
S
R - сопротивление статора асинхронного двигателя, Ом;
S
T - постоянная времени статора асинхронного двигателя, с.
Оцениваемые значения невязок (разниц между реальным и оцененным значением) тока статора одной составляющей определяются по формуле (4):
[i]
Sα(β)
где, i - составляющая тока статора асинхронного двигателя (измеренное значение), А;
- оцениваемое значение тока статора асинхронного двигателя, А.
Оцениваемые значения потокосцепления ротора одной составляющей определяются через математическое описание асинхронного двигателя в неподвижной системе координат по формуле в операторном виде (5):
-1
где р - оператор дифференцирования, с,
- угловая скорость ротора (оцененное значение), рад/с,
- составляющая тока статора асинхронного двигателя (оцененное значение), А;
- составляющая потокосцепления ротора асинхронного двигателя (оцененное значение), Вб;
р
р - число пар полюсов асинхронного двигателя;
R
R - сопротивление ротора асинхронного двигателя, Ом;
R
T - постоянная времени ротора асинхронного двигателя, с.
Оцениваемые значения электромагнитного момента определяются через математическое описание асинхронного двигателя в неподвижной системе координат по формуле (6):
где ,  - составляющие потокосцепления ротора асинхронного двигателя (оцененные значения), Вб;
,  - составляющие тока статора асинхронного двигателя (оцененные значения), А;
R
k - безразмерный параметр асинхронного двигателя, о.е.;
р
р - число пар полюсов.
Оцениваемые значения момента нагрузки насоса определяются по формуле (7) через потокосцепления ротора двигателя и «невязки» проекций токов статора:
Tmp
где K - коэффициент усиления момента, о.е.,
R
k - безразмерный параметр асинхронного двигателя, о.е.;
,  - составляющие потокосцепления ротора асинхронного двигателя (оцененные значения), Вб;
,  - составляющие невязок тока статора асинхронного двигателя (оцененные значения), А.
Оцениваемые значения угловой скорости ротора определяются по формуле (8) в операторном виде:
-1
где р - оператор дифференцирования, с;
2
J - момент инерции механизма, кг⋅м;
- электромагнитный момент асинхронного двигателя, Нм;
- момент нагрузки насоса, Нм.
Гидравлическая мощность насоса определяется по формуле (9) как произведение скорости вращения вала насоса на момент сопротивления насоса:
0
⋅
где Т - момент трения, Нм;
- угловая скорость ротора асинхронного двигателя (оцененное значение), рад/с;
- момент нагрузки насоса, Нм.
СР
Одновременно гидравлическая мощность насоса  определяется как произведение давления нагнетаемого насосом Р и подачей насоса .
СР
r
r
[i]
Давление насоса Р определяется через параметры напорной характеристики насоса, плотность жидкости (ρ) и угловую скорость вала насоса , и относительный расход насоса (q):
Расход жидкости насоса  определяется по формуле (10)
r
3
где ρ - плотность жидкости, кг/м;
пот
ω - номинальная угловая скорость насоса, рад/с;
0
1
С, C - параметры напорной характеристики насоса;
- гидравлическая мощность насоса, Вт;
3
- относительный расход насоса, м/с;
- угловая скорость ротора асинхронного двигателя (угловую скорость вала насоса), рад/с.
В проведенных экспериментах на насосе К8-18 с асинхронным двигателем АД80М2 погрешность определения расхода уменьшилась на 4-5%.
Таким образом, заявленный способ позволяет повысить точность определения расхода жидкости центробежного насоса с асинхронным электроприводом.