Материал: Расчет электропривода вихревого насоса

Устройство защитного отключения (УЗО) - механический коммутационный аппарат <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BF%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B0%D1%82>, предназначенный для включения, проведения и отключения токов при нормальных условиях эксплуатации, а также размыкания контактов в случае, когда значение дифференциального тока достигает заданной величины в определенных условиях.

УЗО предназначены для:

.        Защиты человека от поражения электрическим током при косвенном прикосновении (прикосновение человека к открытым проводящим нетоковедущим частям электроустановки, оказавшимся под напряжением в случае повреждения изоляции), а также при прямом прикосновении (прикосновение человека к токоведущим частям электроустановки, находящимся под напряжением). Данную функцию обеспечивают УЗО соответствующей чувствительности (ток отсечки не более 30 мА <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B8%D0%BB%D0%BB%D0%B8%D0%B0%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80>).

.        Предотвращения возгораний при возникновении токов утечки на корпус или на землю <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%B7%D0%B5%D0%BC%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5>.

УЗО отключает питающую сеть:

.        При прямом прикосновении человека или животного к частям электроприбора находящимися под напряжением и его контакте с "землей".

.        При повреждении основной изоляции и контакте токоведущих частей с заземленным корпусом.

.        При перемене нулевого рабочего (N) и заземляющего (PE) проводников.

.        При перемене фазного и нулевого рабочего проводников и прикосновении человека к частям оказавшимся под напряжением и одновременном его контакте с "землей"

.        При обрыве нулевого рабочего проводника до (и после) УЗО и прикосновении человека к токоведущим или оказавшимися под напряжением частям электроприбора и одновременном его контакте с "землей"

Принцип работы УЗО основан на измерении разности токов в проходящих через дифференциальный трансформатор тока <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B0%D0%BD%D1%81%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80_%D1%82%D0%BE%D0%BA%D0%B0> проводниках. УЗО измеряет векторную сумму токов, протекающих по контролируемым проводникам (двум для однофазного УЗО, трем и более для трехфазного исполнения). В нормальном режиме работы векторная сумма токов, протекающих через измерительный трансформатор равна 0 (ток, «втекающий» по одним проводникам равен току, «вытекающему» по другим), и срабатывания устройства не происходит. При появлении тока утечки (касание человеком фазного проводника, или уменьшение сопротивления изоляции кабельной линии) векторная сумма токов, протекающих через УЗО не будет равна 0, так как появляется ток утечки, который протекает только по фазному проводнику, во вторичной обмотке трансформатора наведется напряжение, пропорциональное току утечки, и при превышении определенного порога произойдет срабатывание устройства и отключение защищаемой цепи.

Рисунок № 16 Принцип работы ОЗУ.

.3 Выбор теплового реле

Более чувствительными аппаратами к малым, но длительным перегрузкам по сравнению с тепловой защитой автоматических выключателей являются тепловые реле. Поэтому для защиты электродвигателя от перегрузок по току выберем тепловое реле серии РТТ-2, имеющее технические характеристики представленные в таблице № 17.

Реле электротепловое токовое трехполюсное серии РТТ предназначено для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором от длительных перегрузок, возникающих при обрыве одной фаз. Реле имеет исполнение для установки на металлических и изоляционных панелях, рейках комплектного устройства и специальное исполнение для установки с магнитным пускателями.

Таблица № 17 Основные технические характеристики теплового реле РТТ-2

6. Разработка схемы управления и защиты электродвигателя

Подавляющее большинство насосов настоящее время оснащено нерегулируемыми электроприводами с асинхронными электродвигателями. Регулирование производительности перекачивающих агрегатов осуществляется дискретно изменением их числа и плавно - весьма неэффективным способом - дросселированием с помощью задвижек. Последний способ связан с повышенным энергопотреблением, невысокой точностью регулирования технологических параметров, а также повышенным износом электрического, механического и гидравлического оборудования. Прямые пуски двигателей большой мощности вызывают ударные нагрузки в передаточных механизмах, недопустимые посадки напряжения в системах электроснабжения.

В связи с постоянным увеличением стоимости электроэнергии, ростом цен на сооружение линий электропередачи при освоении новых месторождений и наметившейся тенденцией перехода на автономные источники электроснабжения технологических установок становится экономически и технически целесообразным применение регулируемых электроприводов..

Частотно-регулируемый электропривод обеспечивает: плавный пуск; длительную работу в заданном диапазоне изменения скорости и нагрузки; реверсирование, торможение и останов; защиту электрического и механического оборудования от аварийных режимов.

Частотно-регулируемый электропривод является не только устройством экономичного преобразования электрической энергии в механическую, но и эффективным средством управления технологическим процессом, в том числе в замкнутых системах автоматического управления в составе различных АСУ ТП.

Эффективность применения частотно-регулируемых электроприводов обусловлена: высокими энергетическими показателями; гибкой настройкой программными средствами параметров и режимов работы электропривода;  развитым интерфейсом и приспосабливаемостью к различным системам управления и автоматизации, в том числе высокого уровня;  простотой и удобством управления и обслуживания в эксплуатации;  высоким качеством статических и динамических характеристик, обеспечивающих высокую производительность управляемых машин.

Оптимальная по энергетическим показателям и по регулировочным и механическим характеристикам структура современного частотно-регулируемого электропривода с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором включает в себя ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока (рисунок № 17), состоящий из выпрямителя с индуктивно-емкостным фильтром постоянного напряжения и автономного инвертора напряжения, построенного на силовых транзисторах IGBT. Инвертор формирует основную гармонику выходного напряжения ПЧ методом ШИМ.

Регулируемый электропривод, силовая часть которого базируется на указанной структуре, обладает следующими преимуществами: широким диапазоном регулирования скорости (D=30-60); высоким значением КПД (без учета двигателя он достигает 0,98); высоким значением коэффициента мощности (до 0,98); высокой надежностью и малыми габаритами преобразователя; облегчается обеспечение электромагнитной совместимости электропривода с источником питания и другими потребителями электрической энергии. При регулировании скорости электропривода частота и напряжение на выходе ПЧ изменяется взаимосвязано в соответствии с требуемым соотношением. Изменяя частоту, можно плавно в широких пределах регулировать частоту вращения ротора двигателя. При этом скольжение асинхронного двигателя в процессе регулирования при заданном значении нагрузки изменяется незначительно, а, следовательно, потери в цепи ротора, пропорциональные скольжению, также изменяются незначительно, что обеспечивает энергосбережение.

Рисунок № 17 Структурная схема частотно-регулируемый электропривода с асинхронным короткозамкнутым двигателем: В - выпрямитель; Ф - фильтр; АИН - автономный IGBT-инвертор напряжения; УУП - устройство управления преобразователем частоты; М - двигатель

Основные общие принципы построения современных частотно-регулируемых электроприводов:

.        Силовая часть - преобразователь частоты состоит из выпрямителя, фильтра постоянного напряжения и IGBT или IGCT-инвертора с модулем торможения в звене постоянного напряжения. Для снижения уровня радиопомех (кондуктивных - распространяющихся по проводам) на входе ПЧ может включаться блок входного фильтра, для ограничения перенапряжений на зажимах приводного двигателя и защиты изоляции его обмоток от пробоя и ускоренного старения на зажимы двигателя включается блок выходного фильтра.

.        Система управления - микропроцессорная, формирует сигналы управления инвертором согласно алгоритму, позволяющему максимально использовать напряжение источника с минимальными искажениями формы выходного напряжения, обеспечивая при этом: автоматическое определение параметров подключенного двигателя; самотестирование двигателя и технологических датчиков; индикацию состояния двигателя дискретными сигналами; цифровую индикацию на встроенном жидкокристаллическом дисплее текущих значений переменных электропривода (заданного и/или фактического значения, скорости, заданного и/или фактического значения параметра, например, давления, на выходе насоса (компрессора) тока статора двигателя, напряжения сети, потребляемой мощности и др.); параметров регулятора (способа ввода задания, начального направления вращения, времени разгона и торможения, максимального и минимального значений выходной частоты, пропорционального, интегрального и дифференциального коэффициентов ПИД-регулятора и др.); значений уставок защиты (максимально-токовой, время-токовой и температурной двигателя, параметров частотно-токового ограничения, температурной преобразователя);просмотр и изменение параметров двигателя и регулятора со встроенного пульта управления при вводе пароля доступа к режиму программирования.

.        Система защит электропривода может включать защиты от следующих факторов: токов недопустимой перегрузки и короткого замыкания; замыкания на "землю"; обрыва фазы; перенапряжений на силовых элементах схемы; недопустимых отклонений и исчезновения напряжения питающей сети; недопустимого перегрева силовых элементов схемы; неисправностей и сбоев системы управления; недопустимых отклонений технологического параметра и др. Кроме того, могут быть предусмотрены режимы ограничения максимальной и минимальной мощности электропривода, минимальной рабочей частоты и других параметров.

. Система сигнализации электропривода сообщает о следующем: наличии напряжения питающей сети; включенном/отключенном состоянии; аварийном отключении и др. Дополнительная информация о состоянии электропривода выводится на дисплей пульта управления в виде текстовых сообщений или кодов.

7. Расчёт надёжности электропривода

Надежностью называют свойство устройства или системы выполнять требуемые функции в определенных условиях эксплуатации. Соединение элементов в устройстве, при котором отказ любого из них ведет у отказу в работе всего устройства, называют логических последовательным, или основным. Если элементы в устройстве соединены так, что отказ устройства наступает только при отказе всех его элементов, то такое соединение называют логически параллельным. Надежность - это комплексное свойство, обусловленное сочетанием свойств работоспособности, безотказности, ремонтопригодности, долговечности и сохраняемости.

Числовую оценку надежности устройств и систем, в том числе и ЭП, осуществляют определенными показателями надежности.

Под показателями надежности понимают количественные характеристики одного или нескольких свойств, составляющих надежность устройства. Основные показатели безотказности элементов и невосстанавливаемых устройств и систем, к которым относят и ЭП как нерезервируемую систему:

.        Интенсивность отказов  представляет собой отношение числа отказавшихся элементов  наблюдения к их среднему числу  и к интервалу времени наблюдения

где число исправных элементов в начале интервала времени наблюдения; число исправных элементов в конце интервала времени наблюдения.

Для большинства устройств и систем, в том числе и для систем ЭП, изменение значения в течение времени от изготовления до полного износа имеет вид, показанный на рисунке № 17.

Рисунок № 17 График зависимости значения интенсивности отказов « в течение времени t от изготовления до полного износа системы ЭП»

Из анализа графика(рисунок № 17) следует, что для систем ЭП в период нормативной эксплуатации интенсивность отказов имеет достаточно постоянное значение ƛ.

Интенсивность отказов устройств или системы ЭП в целом Ʌ с основными соединениями входящих элементов N рассчитывают на основании справочных данных об отказах отдельных элементов в определенных условиях эксплуатации:

.        Средняя наработка до отказа :

.        Вероятность безотказной работы  в течение назначенного времени t:

Из анализа формул (7.2) - (7.4) следует, что для повышения надежности всей системы ЭП необходимо равноценно повышать надежность всех входящих в систему ЭП элементов. Достичь этого можно, прежде всего:

·        Сокращением числа используемых элементов путем их замены элементами повышенной степени интеграции;

·        Снижением степени проектных нагрузок на используемые элементы;

·        Исключением недопустимых эксплуатационных перегрузок;

·        Улучшением условий окружающей среды

·        Своевременным проведением регламентных работ по обслуживанию

8. Определение экономической эффективности разработанного электропривода

Экономическая эффективность использования ЭП выражают численно в денежных единицах измерения и в большинстве случаев наиболее объективно оцениваются годовым экономическим эффектом, достигнутым от использования конкретного предлагаемого ЭП по сравнению с имеющимися базовыми (исходными) вариантом:

где  и приведённые затраты на ЭП соответственно в базовом (исходном) и предлагаемом вариантах в условных денежных единицах, у.е., в течение, у.е./год.

Приведенные затраты в общем случае можно вычислить по формуле:

где К и С - соответственно капиталовложения, у.е., и годовые издержки (себестоимости) производства, у.е./год в рассматриваемом варианте ЭП;нормальный коэффициент экономической эффективности капиталовложений, 1/год, принимаемый для систем потребления электрической энергии в целом на уровне 1/год.