Лекція 15. Автоматизація меліоративних помпових стацій. Автоматизація керування помповими агрегатами

 

Рис. 15. 1. Механічні характеристики помпи й асинхронного двигуна.

 

Усталений режим роботи помпового агрегату наступає при рівності моменту  , який розвиває двигун при швидкості  , і моменту сил опору, який складається з моменту холостого ходу   і моментів, які створюють гідростатичний   і гідродинамічний   моменти (точка А на рис. 15. 1). Величина гідродинамічного моменту

  /15. 3/

де с – коефіцієнт, що характеризує гідравлічні втрати в трубопроводах, засувках колінах тощо; Q – витрата помпи.

Робочі точки помпових агрегатів при зміні швидкості завжди знаходяться на перетині механічних характеристик двигунів і помпи. При номінальній швидкості  , яка відповідає частоті в мережі живлення  , витрата помпи буде визначатись моментом  . При зменшенні швидкості обертання помпи   буде зменшуватись і в точці  . Це означає, що при швидкості   момент двигуна буде долати лише моменти холостого ходу і гідростатичного напору   і згідно формули /15. 3/ витрата помпи буде дорівнювати нулю.

Відношення   визначає граничний діапазон регулювання витрати при заданому значенні  . З його зменшенням діапазон регулювання витрати буде збільшуватись. Отже, на підставі аналізу механічних характеристик двигуна і помпи при відомому моменту від гідростатичного напору визначають діапазон регулювання швидкості двигуна.

Плавне регулювання швидкості асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором забезпечується живленням обмотки статора від автономного статичного перетворювача частоти. На рис. 15. 2 наведена одна із структурних схем перетворювача частоти з проміжною ланкою постійного струму.

 

Рис. 15. 2. Структурна схема статичного перетворювача частоти з проміжною ланкою постійного струму.

 

Перетворювач складається з двох силових елементів: керованого випрямляча КВ і інвертора І. На вхід КВ подається нерегульована напруга змінного струму частоти 50 Гц, яка перетворюється в регульовану напругу постійного струму. З виходу КВ регульована напруга подається на інвертор І, який перетворює постійну напругу у змінну з регульованою амплітудою і частотою. Крім силових елементів перетворювач має мікропроцесорну систему керування, яка складається з блока керування випрямлячем БКВ, блока керування інвертором і блока задавача швидкості БЗШ.

Оскільки при зміні частоти змінюються індуктивний опір обмоток і струм намагнічування асинхронного двигуна, то для збереження сталим моменту двигуна необхідно при регулюванні швидкості підтримувати відношення напруги до частоти  , а при дуже малих швидкостях необхідно підтримувати  . Ці співвідношення забезпечує блок задавача швидкості БЗШ.

Окрім плавного перспективним є ступінчасте регулювання витрати відцентрових помп, яке здійснюється шляхом зміни числа пар полюсів асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором. Ця зміна досягається зміною напрямку струму в половинах обмотки кожної фази. Використовують переключення обмоток за схемами „зірка – подвійна зірка”, „зірка – трикутник” і навпаки. При цьому швидкість змінюється у відношенні 2: 1.

Якщо на статорі є дві обмотки, то переключенням числа пар полюсів отримують чотири швидкості, наприклад, 3000/1500 і 1000/750 об/хв. Вибором схем переключення можна забезпечити регулювання швидкості при сталому моменті  , або при сталій потужності  . Для відцентрових помп регулювання здійснюють при  .

Регулювання швидкості зміною числа пар полюсів є економічним, механічні характеристики мають велику жорсткість і достатню перевантажувальну здатність  . Недоліки – ступінчасте регулювання швидкості і додаткова апаратура для переключення обмоток статора.

Окрім регулювання витрати зміною швидкості двигуна на меліоративних помпових станціях також використовують осьові помпи з поворотними лопатками робочого колеса. Їх витрата при сталій швидкості обертання регулюється поворотом лопаток, який здійснюється автоматично в залежності від витрати.

Для керування помповими агрегатами випускаються станції керування, в яких є пристрої захисту від короткого замикання, перевантаження, перегріву підшипників помпи і двигуна, унеможливлення пуску не залитої водою помпи, при відкритій засувці на напірному трубопроводі, виконаних на безконтактних елементах, що значно підвищує надійність їх роботи. Схема керування передбачає ручне, дистанційне і автоматичне керування помповим агрегатом.

В даний час системи керування помповими станціями підкачки базуються на використанні мікропроцесорів і давачів з уніфікованими виходами, які дозволяють під'єднувати їх безпосередньо до аналогових ч и дискретних входів. Узгодження режимів роботи досягається програмними засобами.

 

 

Всі меліоративні помпові станції працюють зі змінною витратою, яку регулюють ступінчасто зміною числа одночасно працюючих помп, і плавно – зміною витрати одного з помпових агрегатів. Поєднання цих двох способів забезпечує регулювання витрати практично від нуля до повної витрати помпової станції.

У випадку регулювання витрати зміною числа працюючих помп крок дискретності дорівнює витраті однієї помпи. Наприклад, при діапазоні регулювання 1: 4 і кроці дискретності Q/4 (де Q – максимальна витрата станції) необхідно мати чотири однотипні помпи з витратою Q/4. Кількість помп можна зменшити, якщо вибрати одну помпу з витратою Q/2 і дві помпи з витратою Q/4 кожна. Якщо замість однієї помпи з витратою Q/4 узяти дві помпи з витратою Q/8, то крок дискретності стане рівним 1/8. Отже, чим менше крок дискретності, тим краще вибирати різнотипні помпи.

При різнотипних помпах керування витратою помпової станції забезпечується певними комбінаціями працюючих помп, що призводить до деякого ускладнення схеми керування, але при цьому зменшується витрата електроенергії і поліпшується режим роботи гідромеліоративної системи в цілому. Автоматична зміна кількості одночасно працюючих агрегатів може здійснюватися за рівнем води в басейні (каналі), за напором або за витратою.

На осушувальних і перекачуючих помпових станціях регулювання здійснюється за рівнем води, а на станціях підкачки – за напором і витратою або їх комбінацією.

При керуванні за напором застосовують помпи з крутими Q-Н характеристиками. Такі характеристики мають, наприклад, бустерні помпи (крива 1 на рис. 15. 3). У випадку регулювання за витратою Q-Н характеристики помп повинні бути положистими (крива 2 на рис. 15. 3).

 

Рис. 15. 3. Характеристики бустер-помпи (1) і основного помпового агрегату (2).

 

Рис. 15. 4. Характеристики помпової станції при регулюванні за тиском і витратою.

 

Це забезпечує чіткість керування. Так, при керуванні за напором навіть незначна зміна витрати зв'язана з істотною зміною напору. Значна різниця напорів у точках включення і відключення (точки А і Б, рис. 15. 3) полегшує настроювання давачів тиску, за сигналами яких здійснюється керування. У результаті звужується зона неоднозначності включення помпового агрегату. При положистій характеристиці навпаки, мала зона неоднозначності буде вже при керуванні за сигналами від давачів витрати. Точка В відповідає включенню помпи (з положистою характеристикою), керованою за витратою. При переході в точку Г помпа із крутою характеристикою Q-Н відключається.

Для вимірювання витрати на напірному трубопроводі встановлюють ультразвуковий витратомір з уніфікованим струмовим виходом 0... 5 мА, який використовують для включення помпових агрегатів.

Необхідний діапазон регулювання витрати D можна забезпечити однотипними і різнотипними помпами. Наприклад, при D=4 можна взяти чотири помпи з витратою Q/4 (де Q – максимальна витрата помпової станції), або дві помпи з витратою Q/4 і одну з витратою Q/2. У другому випадку є можливість обійтися трьома помпами. Отже, при заданому діапазоні регулювання D завжди є така комбінація різнотипних помп, при якій їх кількість мінімальна. У випадку застосування різнотипних помп зміну витрати здійснюють не кількістю працюючих помпових агрегатів, а їх комбінацією. На рис. 15. 4 показані Q-Н характеристики помпової станції при керуванні за витратою. Перший помповий агрегат включається сигналом давача тиску, коли тиск у мережі знизиться до значення, яке відповідає точці В на характеристиці бустерної помпи. При збільшенні витрати до величини   (точка 1) витратомір формує сигнал на включення в роботу другої помпи або іншої комбінації помп.

 

Рис. 15.5. Логічна схема вибору комбінації помп.

 

Для кращого розуміння методики програмування мікроконтролера, який забезпечує вибір комбінації помп у залежності від витрати на рис. 15. 5 наведена логічна схема вибору комбінації помп з використанням реле. Побудована вона стосовно до розглянутого прикладу на основі діодної матриці, у якій число горизонтальних шин дорівнює кількості можливих комбінацій одночасно працюючих помп, а число вертикальних шин – числу помп. До вертикальних шин підключені реле К1-К3, замикаючі контакти яких подають сигнали на включення помпових агрегатів.

Логічна схема вибору комбінації працює в такий спосіб. При замиканні контактів реле тиску КР на першу горизонтальну шину подається від’ємний потенціал і реле К1 спрацьовує. Своїм замикаючим контактом воно подає сигнал на включення агрегату № 1 з витратою 1/4 Q. Коли витрата досягає значення Q1, за сигналом витратоміра спрацьовує реле КВ1, яке своїм замикаючим контактом КВ1 подає від’ємний потенціал на другу горизонтальну шину, а розмикаючий контакт КВ1 відключає від живлення першу горизонтальну шину. В результаті спрацьовує реле К2 і включає в роботу агрегат № 2 з витратою 1/2 Q, а реле К1 відключає перший помповий агрегат. При витраті Q2 спрацьовує реле КВ1, контакт якого КВ2 через шину 3 забезпечує живлення реле К2 і КЗ, що включають у роботу агрегати №2 і №3. І нарешті, при витраті, рівній Q3, спрацьовує реле К3 і працюють усі помпові агрегати, тому що котушки реле К1, К2 і КЗ живляться через шину 4. При зменшенні витрати відключення помпових агрегатів відбувається у зворотній послідовності.

Розглянута схема автоматичного регулювання подачі досить проста. Кількість включень агрегатів тут така ж, як і при однотипних аграгатах з витратою 1/4 Q, але агрегатів менше. Чим більше діапазон регулювання, тим менше потрібно різнотипних агрегатів. Так, при D=8 можна обійтися всього чотирма агрегатами замість восьми однотипних з витратою 1/8 Q.

Розглянуту логічну схему керування реалізує мікроконтролер, на вхід якого від витратоміра подаються три дискретні сигнали, які відповідають витратам Q1, Q2 і Q3. На його віході формуються сигнали на включення вказаних комбінацій помпових агрегатів.

Подальше удосконалювання систем автоматичного керування помповими станціями зв'язано з плавним регулюванням витрати. Це забезпечується тим, що двигун помпи самої малої витрати живиться від частотного перетворювача і включається в роботу між ступінчастим регулюванням. Цим забезпечується поєднання ступінчастого і плавно регулювання і як наслідок – плавне регулювання витрати від нуля до максимального значення.