устройство для моделирования системы двигатель-насос- трубопровод

Формула изобретения

Устройство для моделирования системы двигатель насос трубопровод, содержащее соединенные последовательно приводной двигатель и тахогенератор, установленный на валу приводного двигателя, усилитель, тиристорный преобразователь, а также блок управления тиристорным преобразователем, отличающееся тем, что в него введены подключенный к выходу тиристорного преобразователя питающий трансформатор, выход которого совместно с входом приводного двигателя соединен с питающей сетью, первый и второй блоки нелинейно-степенного преобразования, входы которых соединены с выходом тахогенератора, а выход второго из них соединен с входом блока управления тиристорным преобразователем, установленный на валу приводного двигателя генератор постоянного тока, выход которого подключен к входу тиристорного преобразователя, а обмотка возбуждения к обмотке управления усилителя, выполненного в виде электромашинного усилителя, а также первый переключатель вариантов режимов пуска, первый ПИ-регулятор, первый автоматический переключатель регуляторов, второй переключатель вариантов режимов пуска, второй ПИ-регулятор, первый И-регулятор, второй автоматический переключатель регуляторов, третий переключатель вариантов режимов пуска, третий ПИ-регулятор, третий автоматический переключатель регуляторов, четвертый переключатель вариантов режимов пуска, четвертый ПИ-регулятор, второй И-регулятор, четвертый автоматический переключатель регуляторов, пятый переключатель вариантов режимов пуска, пятый ПИ-регулятор, третий И-регулятор, пятый автоматический переключатель регуляторов, первый и второй элементы сравнения, причем входы первого, второго и четвертого переключателей вариантов режимов пуска соединены между собой параллельно и соединены с выходом первого элемента сравнения, входы третьего и пятого переключателя вариантов режимов пуска соединены между собой параллельно и соединены с выходом элемента сравнения, вход первого ПИ-регулятора соединен с выходом первого переключателя вариантов режимов пуска, а выход соединен с одним из входов первого автоматического переключателя регуляторов, входы второго ПИ-регулятора и первого И-регулятора соединены между собой параллельно и соединены с выходом второго переключателя вариантов режима пуска, а их выходы соединены с входами второго автоматического переключателя регуляторов, вход третьего ПИ-регулятора соединен с выходом третьего переключателя вариантов режимов пуска, а его выход с одним из входов третьего автоматического переключателя регуляторов, входы четвертого ПИ-регулятора и второго И-регулятора соединены между собой параллельно и соединены с выходом четвертого переключателя вариантов режимов пуска, а их выходы соединены с входами четвертого автоматического переключателя регуляторов, входы пятого ПИ-регулятора и третьего И-регулятора соединены между собой параллельно и соединены с выходом пятого переключателя вариантов режимов пуска, а их выходы соединены с входами пятого автоматического переключателя регуляторов, выход первого блока нелинейно-степенного преобразования соединен с другими входами первого, второго, третьего, четвертого и пятого автоматических переключателей регуляторов, а их выходы соединены параллельно между собой и с входом обмотки управления усилителя, причем другие входы элементов сравнения соединены с первым и вторым каналами сигналов, пропорциональными статическому напору насоса и статическому напору насоса с учетом параллельного включения насосов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области моделирования и может быть использовано при электродинамическом моделировании комплекса взаимосвязанных динамических режимов работы насосов систем машинного орошении (водоподъемные насосные установки).

Известны разработки и выполнен ряд схем физического моделирования первичных двигателей гидравлических турбин энергосистем, где для построения моделей аналогов турбин используют различные системы электропривода, причем чаще всего двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, момент которого регулируется путем воздействия на возбуждение питающего двигатель генератора или вольтодобавочной машины / 1 /.

Основным недостатком этих моделей является невозможность получения нелинейной, в частности, квадратичной зависимости изменения момента от скорости вращения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа электрическая схема автоматической системы регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока / 2 /. Электродвигатель независимого возбуждения управляется тиристорным преобразователем, собранным по трехфазной мостовой схеме. На валу двигателя находится тахогенератор. Задающее напряжение подается на управляющую обмотку суммирующего магнитного усилителя.

Сигнал с выходной обмотки магнитного усилителя поступает на фазоимпульсный преобразователь. Фаза его выходных импульсов пропорциональна напряжению на входе. Выходные импульсы поступают в требуемые моменты времени. В схеме выполнены обратные связи по току якоря, напряжению на якоре (внутренние обратные связи) и частоте вращения двигателя (главная обратная связь). Сигналы обратной связи по току, напряжения и скорости подаются в остальные обмотки магнитного усилителя.

Основным недостатком прототипа являются значительные энергозатраты.

Целью изобретения является сокращение энергозатрат.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для моделирования системы "двигатель-насос-трубопровод", содержащее соединенные последовательно приводной двигатель и тахогенератор, установленный на валу приводного двигателя, усилитель, тиристорный преобразователь, а также блок управления тиристорным преобразователем, отличающееся тем, что в него введены подключенный к выходу тиристорного преобразователя питающий трансформатор, выход которого совместно с входом приводного двигателя соединен с питающей сетью, первый и второй блоки нелинейно-степенного преобразования, входы которых соединены с выходом тахогенератора, а выход второго из них соединен со входом блока управления тиристорным преобразователем, установленный на валу приводного двигателя генератора постоянного тока, выход которого подключен ко входу тиристорного преобразователя, а обмотка возбуждения к обмотке управления усилителя, выполненного в виде электромашинного усилителя, а также первый переключатель вариантов, режимов пуска, первый ПИ-регулятор, первый автоматический переключатель регуляторов, второй переключатель вариантов режимов пуска, второй ПИ -регулятор, первый "И" регулятор, второй автоматический переключатель регуляторов, третий переключатель вариантов режимов пуска, третий "ПИ"-регулятор, третий автоматический переключатель регуляторов, четвертый переключатель вариантов режимов пуска, четвертый "ПИ"- регулятор, второй "И"- регулятор, четвертый автоматический переключатель регуляторов, пятый переключатель вариантов режимов пуска, пятый "Пи-регулятор, третий "И"- регулятор, пятый автоматический переключатель регуляторов, первый и второй элементы сравнения, причем входы первого, второго и четвертого переключателей вариантов режимов пуска соединены между собой параллельно и соединены с выходом первого элемента сравнения, входы третьего и пятого переключателя вариантов режимов пуска соединены между собой параллельно и соединены с выходом второго элемента сравнения, вход первого "ПИ" регулятора соединен с выходом первого переключателя вариантов режимов пуска, а выход соединен с одним из входов первого автоматического переключателя регуляторов, входы второго "ПИ" регулятора и первого "И" регулятора соединены между собой параллельно и соединены с выходом второго переключателя вариантов режимов пуска, а их выходы соединены с входами второго автоматического переключателя регуляторов, вход третьего "ПИ" регулятора соединен с выходом третьего переключателя вариантов режимов пуска, а его выход с одним из входов третьего автоматического переключателя регуляторов, входы четвертого "ПИ" - регулятора и второго "И" регулятора соединены между собой параллельно и соединены с выходом четвертого переключателя вариантов режимов пуска, а их выходы соединены с входами четвертого автоматического переключателя регуляторов, входы пятого "ПИ" регулятора и третьего "И" регулятора соединены между собой параллельно и соединены с выходом пятого переключателя вариантов режимов пуска, а их выходы соединены с входами пятого автоматического переключателя регуляторов, выход первого блока нелинейно-степенного преобразования соединен с другими входами первого, второго, третьего, четвертого и пятого автоматических переключателей регуляторов, а их выходы, соединяясь параллельно между собой и с входом обмотки управления усилителя, причем другие входы элементов сравнения соединены с первым и вторым каналами сигналов, пропорциональными статическому напору насоса и статическому напору насоса с учетом параллельного включения насосов.

На фиг. 1 представлена функциональная схема описываемой модели "двигатель-насос-трубопровод"; на фиг. 2 представлены механические характеристики насоса при пуске на открытую задвижку при питании приводного двигателя с питающим напряжением f=const, где 1 механическая характеристика насоса при закрытой задвижке, 2 механическая характеристика насоса при пуске H_ст= 0 3, 4, 5 механические характеристики насоса при H_ст0,H_ст3<H<H; на фиг. 3 приведена механическая характеристика насоса при пуске на открытую задвижку без учета гидравлического удара; на фиг. 4 приведена механическая характеристика насоса при пуске на открытую задвижку с учетом гидравлического удара; на фиг. 5 приведена механическая характеристика при пуске на открытую задвижку при параллельно работающим насосным агрегатам без учета гидравлического удара; на фиг 6 приведена механическая характеристика насоса при пуске на открытую задвижку при параллельно работающим насосным агрегатам с учетом гидравлического удара.

Устройство для моделирования системы "двигатель-насострубопровод" (фиг. 1), содержащее соединенные последовательно приводной двигатель 1 и тахогенератор 2, установленный на валу приводного двигателя 1, усилитель 3, тиристорный преобразователь 4, а также блок управления тиристорным преобразователем 5, отличающееся тем, что в него введены подключенный к выходу тиристорного преобразователя 4 питающий трансформатор 6, выход которого совместно с входом приводного двигателя 1 соединен с питающей сетью, первый 7 и второй 8 блоки нелинейно-степенного преобразования, входы которых соединены с выходом тахогенератора 2, а выход второго из них соединен со входом блока управления 5 тиристорным преобразователем 4, установленный на валу приводного двигателя 1 генератор постоянного тока 9, выход которого подключен ко входу тиристорного преобразователя 4, а обмотка возбуждения 10 к обмотке управления усилителя 11, выполненного в виде электромашинного усилителя 3, а также первый переключатель вариантов режимов пуска 12, первый "ПИ" регулятор 13, первый автоматический переключатель регуляторов 14, второй переключатель вариантов режимов пуска 15, второй "ПИ" регулятор 16, первый "И" регулятор 17, второй автоматический переключатель регуляторов 18, третий переключатель вариантов режимов пуска 19, третий "ПИ" регулятор 20, третий автоматический переключатель регуляторов 21, четвертый переключатель вариантов режимов пуска 22, четвертый "ПИ" регулятор 23, второй "И" регулятор 24, четвертый автоматический переключатель регуляторов 25, пятый переключатель вариантов режимов пуска 26, пятый "ПИ" регулятор 27, третий "И" регулятор 28, пятый автоматический переключатель регуляторов 29, первый 30 и второй 31 элементы сравнения, причем входы первого 12, второго 15 и четвертого 22 переключателя вариантов режимов пуска соединены между собой параллельно и соединены с выходом первого элемента сравнения 30, входы третьего 19 и пятого 26 переключателя вариантов режимов пуска соединены между собой параллельно и соединены с выходом второго элемента сравнения 31, вход первого "ПИ" - регулятора 13 соединен с выходом первого переключателя вариантов режимов пуска 12, а выход соединен с одним из входов первого автоматического переключателя регуляторов 14, входы второго "ПИ" регулятора 16 и первого "И" регулятора 17 соединены между собой параллельно и соединены с выходом второго переключателя вариантов режима пуска 15, а их выходы соединены с входами второго автоматического переключателя регуляторов 18, вход третьего "ПИ" - регулятора 20 соединен с выходом третьего переключателя вариантов режимов пуска 19, а его выход с одним из входов третьего автоматического переключателя регуляторов 21, входы четвертого "ПИ" регулятора 23 и второго "И" регулятора 24 соединены между собой параллельно и соединены с выходом четвертого переключателя вариантов режимов пуска 22, а их выходы соединены с входами четвертого автоматического переключателя регуляторов 25, входы пятого "ПИ" регулятора 27 и третьего "И" регулятора 28 соединены между собой параллельно и соединены с выходом пятого переключателя вариантов режимов пуска 26, а их выходы соединены с входами пятого автоматического переключателя регуляторов 29, выход первого блока нелинейно-степенного преобразования 7 соединен с другими входами первого 14, второго 18, третьего 21, четвертого 25 и пятого 29 автоматических переключателей регуляторов, а их выходы, соединяясь параллельно между собой и с входом обмотки управления усилителя 11, причем другие входы элементов сравнения 30 и 31 соединены с первым и вторым каналами сигналов, пропорциональными статическому напору насоса и статическому напору насоса с учетом параллельного включения насосов.

Существенным признаком заявляемого изобретения является наличие переключателей вариантов режимов пуска системы, автоматических переключателей регуляторов и регуляторов типа "И" и "ПИ" и сопоставительный анализ показал, что эти отличия отсутствуют в аналоге и прототипе.

Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию изобретения "новизна".

Устройство для моделирования системы "двигатель-насострубопровод работает следующим образом. Приводной двигатель 1 постоянного или переменного тока приводит во вращение генератор постоянного тока независимого возбуждения 9 и тахогенератор 2. Генератор постоянного тока 9 возбуждается от усилителя 3, который в свою очередь управляется обмоткой управления 11, получая сигналы управления с выходов первого 14, второго 18, третьего 21, четвертого 25 и пятого 29 автоматических переключателей регуляторов.

Одновременно с выхода тахогенератора 2 сигнал поступает на входы первого 7 и второго 8 блоков нелинейно-степенного преобразования, на первый 30 и второй 31 элементы сравнения с выхода первого блока нелинейно-степенного преобразования 7. Сигнал поступает на один из входов первого 14, второго 18, третьего 21, четвертого 25 и пятого 29 автоматических переключателей регуляторов.

На входы элементов сравнения 30 и 31 соответственно подаются сигналы от стабильного источника питания, пропорционального статическому напору

u H_ст и u H_ст+H

где H_ст статический напор.

H дополнительный напор, создаваемый работой параллельно включенных насосов.

Заявляемое изобретение позволяет смоделировать пуск и работу системы при открытой регулируемой задвижке для вариантов конструктивного исполнения насоса и напорного трубопровода при наличия автоматического затвора, когда первый сочленен на свой индивидуальный напорный трубопровод и когда несколько насосов подсоединены в общий напорный трубопровод (параллельная работа насосов) с короткими и длинными трубопроводами.

При этом возможны несколько случаев моделирования:

Случай 1. Пуск системы "двигатель-насос-трубопровод" осуществляется при открытой регулируемой задвижке и при наличии автоматического затвора, подключенный на индивидуальный напорный трубопровод относительно небольшой длиной, достаточной для пренебрежения гидравлическим ударом и с противодавлением. При этом будут задействованы первый переключатель вариантов режимов пуска 12, первый "ПИ" регулятор 13 и первый автоматический переключатель регуляторов 14.

Насос сочленен с приводным электродвигателем переменного тока, который запускается прямым включением в сеть с постоянной частотой питающего напряжения и за время разгона электродвигателя до номинальной скорости автоматическая задвижка успевает сработать. Из-за относительного короткого значения напорного трубопровода гидравлическим ударом пренебрегаем.

Исходя из положения имитации момента сопротивления насоса на валу приводного двигателя 1, определим характер изменения момента сопротивления насоса для рассматриваемого случая.

В этом случае момент сопротивления насоса M_c состоит из составляющих M_cn1, M_cn2 и M_cn3, последовательно соответствующим отрезкам времени t₁, t₂ и t₃ или соответствующим частотам вращения n₁, n₂ и n₃.

Частота вращения n₁ определяется соответствующим напором насоса, достаточным для открытия автоматической задвижки. Момент сопротивления M₂ соответствует скачку момента сопротивления из закрытого состояния автоматического затвора в открытое.

Момент сопротивления M_cn3 соответствует изменению его в процессе изменения частоты вращения от n_n2 до n_n3 (номинального) значения.

Первая составляющая момента M_cn1 определяется по



где m момент сопротивления в сальниках и подшипниках насоса, как принято m 0,05 M_cн;

момент сопротивления насоса при закрытой задвижке при n n_н, Q 0;

n, n_н соответственно текущее и номинальное значения частоты вращения, насоса-двигателя.

На фиг. 2 приведены механические характеристики насоса при пуске на открытую задвижку при питании приводного двигателя с питающим напряжением f const.

Значения точек a", a, a" определяются из соотношений



В момент времени, когда напор насоса станет равным или больше статического напора, открываетcя автоматический затвор и M_cn3 определяется по формуле:



где Q подача насоса при данном числе оборотов n_n1;

H_cт статический напор (противoдавление);

A гидравлическое сопротивление трубопровода.

Согласно данным / 3 / фиг. 5, / 4 / фиг. 2, / 5 /, механическую характеристику с учетом трех составляющих M_cn1, M_cn2 и M_cn3 можно представить кривыми, приведенными на фиг. 1, где "та" участок механической характеристики, соответствующий разгону насоса при закрытой автоматичеcкoй задвижке ( Q О ), "аб" участок, соответствующий скачку статического момента при открытии автоматической задвижки, "бв" участок нарастания момента сопротивления пропорционально нарастанию частоты вращения двигателя-насоса

Так как проектируемые и эксплуатируемые водоподъемные насосные агрегаты выбираются так, чтобы Н/Н_ст > 7 и более, то участок изменения момента сопротивления "абв" можно аппроксимировать в виде двух ломаных прямых "аб" и "бв", где "аб" прямая, параллельная к оси М_с, считая открытие автоматического затвора мгновенным, "бв" как прямую с различными углами наклона к оси n в зависимости от величины H_cт (противодавление).

С учетом отмеченного, на фиг. 2 приведена механическая характеристика насоса в функции частоты вращения с выделением трех участкoв момента сопротивления.

Формирование управляющего сигнала на входе обмотки управления 11 усилителя 3 осуществляется следующим образом, фиг. 3 / 4 /. Составляющую М_cn1 можно получить с помощью обратной связи по скорости через второй блок нелинейно-степенного преобразования 8, который воздействует через первый автоматический переключатель регуляторов 14 на обмотку управления 11 усилителя 3 и блока управления 5 тиристорного преобразователя 4.

Составляющие М_cn2 и М_cn3 можно сформировать первым "ПИ" - регулятором 13 с передаточной функцией



где Т_из постоянная времени изодрома



K_p пропорционально к углу наклона M_cn3 с учетом Н_cт

Таким образом получаем механическую характеристику насоса при пуске на открытую задвижку без учета гидравлического удара, адекватную управляющему сигналу на входе обмотки управления 11 усилителя 3, которая приведена на фиг. 3.

Случай 2. Модель пуска системы "двигатель-насос-трубопровод" с случаем 1, но с длинным трубопроводом и с учетом гидравличеcкого удара. При этом будут задействованы второй переключатель вариантов режимов пуска 15, второй "ПИ"-регулятор 16, первый "И"-регулятор 17 и второй автоматический переключатель регуляторов 18.

Для данного случая момент сопротивления насоса М_c при пуске состоит из четырех составляющих: М_cn1, М_cn2, М_cn3 и М_cn4 соответственно частотам вращения n₁, n₂, n₃, n₄

M_cn3, M_cn4 моменты сопротивления насоса, аналогичные случаю 1.

Момент сопротивления M_cn3 обусловлен гидравлическим ударом. Согласно теории расчета гидравлического удара в напорном трубопроводе, вследствие того, что подача воды насосом начинается относительно быстро и из-за упругости трубы и сжимаемости жидкости движение воды по трубопроводу возникает не сразу, трубопровод считается как бы закупоренным водяной пробкой до тех пор, пока напор, созданный насосом, не распространится до конца трубопровода.

В связи с этим после открытия второго автоматического переключателя регуляторов 18 еще дополнительно происходит задержка в подаче и задержанная часть изменяет механическую характеристику насоса, определяемый уже с уровня противодавления Н_cт и этот участок из-за незначительности можно аппроксимировать прямой линией с определенным углом наклона.

М_cn4 соответствует моменту сопротивления, как и в случае 1.

Исходя из изложенного, на фиг. 4 представлена механическая характеристика насоса с учетом гидравлического удара.

Формирование управляющего сигнала на входе обмотки управления 11 усилителя 3, приведенного на фиг. 4, осуществляется следующим образом. Составляющую М_cn1 (та), М_cn2 (аб), и М_cn3 (бв) формируем аналогично случаю 1, а участок М_cn4 (Вг) первым "И"-регулятором 17.

Случай 3. Модель пуска системы "двигатель-насос-трубопровод" аналогична случаю 1 с отличающей частью, выражающейся в том, что в общий напорный трубопровод конструктивно подключены несколько насосных агрегатов в частности два, при котором насосные агрегаты не работают при пуске одного из них. В данном случае формирование управляющего сигнала на входе обмотки управления 11 усилителя 3 осуществляется, как и в случае 1, характер изменения которого приведен на фиг. 3.

Случай 4. Модель пуска системы "двигатель-насос-трубопровод", аналогична случаю 3, но в работе находятся параллельно включенные насосные агрегаты. При этом будут задействованы третий переключатель вариантов режимов пуска 19, третий "ПИ"- регулятор 20 и третий автоматический переключатель регуляторов 21.

В данном случае момент сопротивления насоса М_c состоит из составляющих М_cn1, M_cn₁, , M_cn3, где составляющие M_cn₁, M_cn2, M_cn3 по физической сущности аналогичны случаю 1, а составляющая M_cn₁ появляется за счет преодоления напора работающего насоса, так как в этом случае насос преодолевает дополнительный напор H = H-H_ст

Для создания H находим еще дополнительно n₁ В связи с этим открытие автоматической задвижки затягивается на n₁,, соответственно и на время t

Формирование управляющего сигнала на входе обмотки управления 11 усилителя 3, приведенного на фиг. 5, осуществляется следующим образом:

Составляющая M_cn₁ увеличивает угол наклона составляющей М_cn3 к оси n и тем самым приближает к прямой линий, отрезок aa" соответствует M_cn₁.

Случай 5. Модель пуска системы "двигатель-насос-трубопровод" аналогична случаю 3, но напорный трубопровод длинный и учитывает гидравлический удар. При этом будут задействованы четвертый переключатель вариантов режимов пуска 22, четвертый "ПИ"-регулятор 23, второй "И"-регулятор 24 и четвертый автоматический переключатель регуляторов 25.

В данном случае формирование управляющего сигнала на входе обмотки управления 11 усилителя 3 осуществляется, как и в случае 2, характер изменения которого приведен на фиг. 3.

Случай 6. Модель пуска системы "двигатель-насос-трубопровод" аналогична случаю 4, когда трубопровод длинный, с учетом гидравлического удара. При этом будут задействованы пятый переключатель вариантов режимов пуска 26, пятый "ПИ"- регулятор 27, третий "И"-регулятор 28 и пятый автоматический переключатель регуляторов 29. В данном случае момент сопротивления насоса М_c состоит из составляющих М_cn1, M_cn₁,M_cn₂,, М_cn3 и М_cn4.

Формирование управляющего сигнала на входе обмотки управления 11 усилителя 3, приведенного на фиг. 6, состоящего из отрезков "та", "аа", "аб", "бв" и "вг" осуществляeтся следующим образом. Учет составляющих "та" и "аа", точка " a" " будет соответствовать напору H_ст+H, чему будет соответствовать скорость



а составляющая

Участок "a", "бв" реализуется пятым "ПИ" регулятором 27, а участок "вг" третьим "И"-регулятором 28.

Таким образом получаем механическую характеристику насоса при пуске на открытую задвижку с параллельно работающим насосным агрегатом с учетом гидравлического удара, адекватную управляющему сигналу на входе обмотки управления 11 усилителя 3, которая приведена на фиг. 6.

В качестве "ПИ" и "И"-регуляторов в устройстве применены стандартные регуляторы, выполненные на операционных усилителях. Заявляемое изобретение по сравнению с прототипом позволило сократить энергозатраты.

Источники информации

1. Д.В.Никитин. Моделирование первичных двигателей в физических моделях энергосистем. Труды АН СССР (Сибирский институт). О методах моделирования при изучении энергетических систем. Из-во АН СССР М. 1963, с.62-79 (аналог).

2. Л.М.Твердин, В.Б.Закорюкин и др. Дискретно-непрерывные автоматические системы. М. Энергия, 1980, с.8, рис. 2 (прототип).

3. Г Б.Онищенко, М.Г.Юньков. Электропривод турбомеханизмов. Энергия, М. 1972, с. 240.

4. Д. Н. Смирнов. Пуск насосов при открытой задвижке на напорной линии. Водоснабжение и санитарная техника. 1962, N 2, с. 24-28.

5. И.А.Сыромятников. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей. М. Энергоавтоиздат, 1984, 240 с.