Устройство для управления электроприводом турбомеханизма

 

Изобретение касается управления центробежными установками, оборудованными электроприводом, и м.б. использовано в системах управления режимами работы турбомеханизма, в частности шахтных вентиляторов, турбокомпрессоров с направляющим аппаратом или дроссельной заслонкой. Цель изобретения - повьшение точности путем определения оптимального значения скорости электропривода для перехода на аэродинамическое регулирование производительности вентиляторной установки. Устр-во содержит блок (Б) 18 вычисления угла установки направляющего аппарата (НА) 3, Б 19, 28 вычисления мощности сети, запоминающие Б 20, 21, Б 22 управления НА и исполнительный механизм НА, Б 24 питания , датчик (Д) 25 скорости, Д 26 угла установки НА, Б 27 вычисления скорости, Б 29 сравнения,нелинейные Б 8 и 30, релейные элементы 11, 31 с двумя нормально замкнутыми и двумя разомкнутыми блок-контактами 14, 15, 32, 33 и 16, 17, 34, 35, Б 12 и 36 j вьщержки времени, регулятор 37 производительности , Д 5 мощности сети, Б 7 задания производительности, преобразователь 6 частоты с системой управления , связанный с электроприво- 2 дом, коммутирующее устр-во 13, Д 9 (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1442704 А1 (5Н 4 F 04 D 15/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К Д ВТОРСКОМ У СВИДЕТЕРЬСТВУ (21} 4066629/25-06 (22) 13.05.86 (46) 07.12.88. Бюл. И 45

I (71) Криворожский горнорудный институт (72) Д.И.Родькин (53) 621.438-55 (088.8) (56} Авторское свидетельство СССР

N - 931974, кл. F 04 D 15/00, 1980. ния скорости электропривода для перехода на аэродинамическое регулирование производительности вентиляторной установки. Устр-во содержит блок (Б)

18 вычисления угла установки направляющего аппарата (НА) 3, Б 19, 28 вычисления мощности, сети, запоминающие

Б 20, 21, Б 22 управления НА и исполнительный механизм НА, Б 24 питания, датчик (Д) 25 скорости, Д 26 угла установки НА, Б 27 вычисления скорости, Б 29 сравнения„нелинейные

Б 8 и 30, релейные элементы 11, 3 1 с двумя нормально замкнутыми и двумя разомкнутыми блок-контактами 14, 15, 32, 33 и 16, 17, 34, 35, Б 12 и 36 ж выдержки времени, регулятор 37 проинноднтнльности, д 5 мощности сети, Q)

Б 7 задания производительности, пре- Q образователь 6 частоты с системой управления, связанный с электроприво- ф дом, коммутирующее устр-во 13, Д 9 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОММ ТУРБОМЕХАНИЗМА (57) Изобретение касается управления центробежными установками, оборудованными электроприводом, и м.б. использовано в системах управления режимами работы турбомеханизма, в частности шахтных вентиляторов, турбокомпрессоров с направляющим аппаратом или дроссельной заслонкой. Цель изобретения — повышение точности путем определения оптимального значеОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1442704

45 ход второго блока 36 выдержки вредавления и Д 1О производительности, связанные с турбомеханизмом 2. При поступлении сигнала на Б 22 происходит закрытие HA при этом входной сигнал регулятора уменьшается. В реИзобретение относится к области управления и регулирования центробежных установок, оборудованных электроприводом, и может быть использовано в системах управления режимами работы турбомеханизма, в частности, шахтных вентиляторов, турбокомпрессоров с направляющим аппаратом или дроссельной заслонкой.

Цель изобретения — повышение точности путем определения оптимального значения скорости электропривода для перехода на аэродинамическое регулирование производительности вентиляторной установки.

На чертеже представлена структурная схема устройства.

Устройство для управления электроприводом 1 турбомеханизма 2 с направляющим аппаратом 3 вентиляторной установки содержит первый блок 4 сравнения, последовательно соединенные датчик 5 мощности сети и преобразователь 6 частоты с системой управления, по выходу связанный с электроприводом 1, блок 7 задания производительности, первый нелинейньй блок

8, датчик 9 давления и датчик 10 производительности, связанные с турбомеханизмом 2, и последовательно соединенные первый релейный элемент 11, первый блок 12 выдержки времени и коммутирующее устройство 13, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входу и выходу преобразователя 6 частоты с системой управления.

Первый релейный элемент 11 выполнен с двумя нормально замкнутыми 14 и 15 и двумя нормально разомкнутыми

16 и 17 блок-контактами, а устройство, кроме того, содержит последовательно соединенные блок 18. вычисления угла установки направляющего аппарата и первьй блок 19 вычисления

$0

35 зультате этого напряжение, поступающее на вход преобразователя, увеличивается, а следовательно, увеличивается скорость вращения электродвигателя. 1 ил. мощности сети, первый 20 и второй 21запоминающие блоки, последовательно соединенные блок 22 управления направляющим аппаратом и исполнительньй механизм 23 направляющего аппарата, связанный с направляющим аппаратом 3, блок 24 питания, датчик 25

I скорости, связанный с электроприводом 1, датчик 26 угла установки направляющего аппарата, связанный с направляющим аппаратом 3, последовательно соединенные блок 27 вычисления скорости вращения, второй блок 28 вычисления мощности сети, второй блок

29 сравнения, второй нелинейный блок

30, второй релейный элемент 31 с двумя нормально замкнутыми 32 и 33 и двумя нормально разомкнутыми 34 и 35 блок-контактами, второй блок 36 выдержки времени и регулятор 37 производительности, связанный с блоком 7 задания производительности.

Датчик 5 мощности сети подключен к первому и второму входам соответственно первого 4 и второго 29 блоков сравнения, второй вход первого из которых подключен к выходу первого блока 19 вычисления мощности сети, первый и второй выходы блока 7 задания производительности подключены к первому и второму входам соответственно блока 22 управления направляющим аппаратом и преобразователя 6 частоты с системой управления, третий вход которого подключен к датчику 25 скорости, а четвертый — через первый нормально разомкнутьй блокконтакт 34 второго релейного элемента 31 к выходу второго запоминающего блока 21, вход которого через первый нормально замкнутый блок-контакт 32 второго релейного элемента

31 подключен к второму выходу блока

27 вычисления скорости вращения. 8w

1442704 мени подключен к второму входу коммутирующего устройства, 13, датчик 26

l угла установки направляющего аппарата подключен к второму входу блока

22 управления направляющим аппаратом, 5 второй вход которого через первый нормально разомкнутый блок-контакт

16 первого релейного элемента 11 подключен к выходу первого запоминающего блока 20, вход которого через первый нормально замкнутый блок-контакт 14 первого релейного элемента 11 подключен к второму выходу блока 18 вычисления угла установки направляющего аппарата. Датчик 9 давления подключен к первым входам блока 27 вычисления скорости вращения и блока

18 вычисления угла установки направляющего аппарата, датчик 10 произво- 20 дительности подключен к регулятору

37 производительности и к вторым входам первого 19 и второго 28 блоков вычисления мощности сети, блока 27 вычисления скорости вращения и блока 25

18 вычисления угла установки направляющего аппарата, выход первоro из которых подключен к второму входу первого блока 4 сравнения, выход которого через первый нелинейный блок Зп

8 подключен к первому входу первого релейного элемента 11, второй вход. которого через последовательно включенные второй нормально замкнутый блок-контакт 33 второго релейного элемента 31 и второй нормально разомкнутый блок-контакт 17 первого релейного элемента 11 подключен к первому выходу блока 24 питания, второй выход которого через последовательно включенные. второй нормально замкнутый блок-контакт 15 первого релейного элемента 11 и второй нормально разомкнутый блок-контакт 35 второго релейного элемента 31 подклю- 4> чен к второму входу второго релейного элемента 31.

Стандартными в устройстве являются следующие блоки: датчик 5 мощности сети, преобразователь 6 частоты с системой управления, датчик 25 скорости,. датчик 9 давления, датчик 10 производительности, первый 4 и второй 29 блоки сравнения, коммутирующее устройство 13, турбомеханизм

2 с направляющим аппаратом 3, исполнительный механизм 23 направляющего аппарата, первый 8 и второй 30 нели нейные блоки„электродвигатель 1, первый 11 и второй 31 релейные элементы (чувствительные электромеханйческие реле с нормально разомкнутыми и нормально замкнутыми блок-контактами) °

Блок 7 задания производительности

-представляет собой сумматор, на вход которого подается задающее напряжение, В качестве обратной связи используется сигнал регулятора 37 производительности, а выполняется блок

7 задания производительности на операционных усилителях или потенциометрах.

Регулятор 37 производительности представляет собой блок, согласующий выход датчика 10 производительности с блоком 7 задания производительности. Это может быть усилитель или динамическое звено (ПИ-регулятор, ПИД-регулятор). его параметры зависят от сети, на которую работает вентиляторная установка.

Датчик 26 угла установки направляющего аппарата — сельсинный или потенциометрический датчик, преобразующий угол поворота в напряжение.

Блок 22 управления направляющим аппаратом представляет собой сумматор с тремя суммирующими входами.

Исполнительный механизм 23 направляющего аппарата 3 находится.в неподвижном состоянии только при равенстве нулю выходного напряжения сумматора блока 22 управления направляющим аппаратом, т.е. тогда, когда угол установки направляющего аппарата равен заданному.

Устройство работает следующим образом.

При работе электропривода 1 от преобразователя 6 частоты потребляется мощность, измеряемая с помощью датчика 5 мощности. Выходной сигнал указанного датчика поступает на первый вход первого блока 4 сравнения.

Каправляющий аппарат 3 турбомеханизма 2 при этом полностью открыт. С датчика 9 давления и датчика 10 про- . изводительности сигналы поступают на блок 18 вычисления угла установки направляющего аппарата и первый блок 19 вычисления мощности сети.

Блок 18 вычисления угла установки направляющего аппарата вычисляет угол установки направляющего аппарата в соответствии с зависимостями, характерными для конкретных турбомеханизмов: вентиляторов, компрессоров, воз1442704 в

РГ

20

N> = -aQ +bQ+c, + 0,1 l с = const = со, 40 пуходувок. Зависимости для углов установки направляющего аппарата или дроссельной заслонки определяются путем аппроксимации соответствующих напорных характеристик. Они имеют общие математические формулы, хотя коэффициенты, входящие в них, зависят от мощности, типа турбомеханиэма и т.д.

Применяются выражения для аппрокс ыированных характеристик характерного турбомеханизма — вентилятора главного проветривания шахт. Выражение для угла установки направляющего аппарата, реализуемое блоком 18 вычисления угла установки направляющего аппарата, имеет вид

9(Н+а Ч -Н Q аЯ a D в +

Q -Ь ю„(+Ь D в где с — угол установки направляющего аппарата, рад;

Н вЂ” текущее значение давления вентилятора, Па; текущее значение производительности вентилятора, м /с, НД „ — номи значение давления и производительности вентилятора; н — номинальная скорость вращения вала вентилятора, рад/с;

D — диаметр рабочего колеса вентилятора, м.

Зависимость получена в результате аппроксимации семейства аэродинамических характеристик вентилятора

ВЦЦ-32M для случая аэродинамического регулирования его производительности.

Полученное значение угла для номинальной скорости на выходе блока 18 вычисления угла установки направляющего аппарата численно равно величине, при которой производительность и давление вентилятора соответствуют значениям при изменении скорости. Выходной сигнал первого блока 19 вычисления мощности сети равен мощности, которую потребляла бы установка при работе с номинальной скоростью вращения и питания двигателя от сети. Указанная мощность определяется в соответствии с зависимостью где P, — мощность, потребляемая от сети, Вт1

1 — КПД системы электропривода (принимается в области номинальных нагрузок постоянным), N — мощность, потребляемая вентилятором, Вт.

Значение Na определяется в результате аппроксимации семейства выходных характеристик вентилятора N в =

f(Q) для случая аэродинамического регулирования производительности: где Q — - текущее значение производительности вентилятора, м /с; а,Ь,с — коэффициенты аппроксимации выходных характеристик, которые определяются в соответствии с зависимостями: иí(-0,54 +1 214) +aо

З0 Ь = u)„(-1164 +215 )+b,, где а» Ь c — коэффициенты аппроксимации выходных характеристик при угле установки направляющего аппарата, равном нулю, ь>„- номинальная скорость вращения вала вентилятора, рад/с;

1 — угол установки направляющего аппарата, рад.

Выходной сигнал первого блока 4 сравнения через первый нелинейный блок 8 (типа вентиль ) поступает на вход первого релейного элемента 11, который срабатывает, в результате от блока 24 питания через второй нормально разомкнутый блок-контакт 17 первого релейного элемента 11 и второй нормально замкнутый блок-контакт

33 второго релейного элемента 31 напряжение поступает на другой вход первого релейного элемента 11, который остается во включенном состоянии даже если сигнал с первого выхода блока 4 сравнения станет равным нулю..Б

1442704 процессе работы через первый нормально замкнутый блок-контакт 14 первого релейного элемента 11 сигнал с выхода блока 18 вычисления угла установ5 ки направляющего аппарата поступает на вход первого запоминающего блока

20. С выхода первого релейного элемента 11 сигнал поступает на вход первого блока 12 выдержки времени.

В результате сигнал поступает на третий вход блока 22 управления направляющим аппаратом, после чего направляющий аппарат 3 турбомеханизма 2 постепенно закрывается, а выходной сигнал регулятора 37 производительности уменьшается.

Уменьшение сигнала приводит к тому, что напряжение, поступающее на вход преобразователя 6 частоты с сис- 20 темой управления с выхода блока 7 задания производительности, увеличивается, следовательно, увеличивается скорость вращения электродвигателя 1.

Увеличение скорости происходит до тех 25 пор, пока суммарное напряжение на входе блока 22 управления направляющим аппаратом не станет равным нулю.

Это равенство наступает в результате того, что угол поворота направляющего З0 аппарата 3 стал равным расчетному его значению, а скорость вращения вала турбомеханизма 2 стала соответствовать его номинальной скорости. К окончанию этого процесса первый блок 12

35 выдержки времени подает сигнал на коммутирующее устройство 13, шунтирующее преобразователь б частоты с системой управления. Электропривод 1 работает с номинальной, например, синхронной скоростью.

В качестве коммутирующего устройства 13 целесообразно использовать выключатель с входным логическим устройством, реализующим функцию

"Запрет". Турбомеханизм 2 при этом работает с максимальной скоростью, потери в преобразователе 6 частоты с системой управления отсутствуют, отсутствуют также потери в электропрк оде 1 от несинусоидального тока.

В дальнейшем, например, из-за снижения аэродинамического сопротивления сети, на которую работает турбомеханизм 2, полученный режим регулирования производительности может стать неэкономичным. С целью возврата в зону экономичной работы необходимо вычислить скорость, при которой может быть получено требуемое значение производительности, но при угле установки направляющего аппарата 3, равном нулю. Это достигается тем, что после выхода на естественную характеристику блок 27 вычисления скорости вращения вычисляет необходимую скорость в соответствии с выражением

d,1,k, 1 1ю 1 3 — коэффициенты аппроксимации.

Полученная зависимость определена путем аппроксимации семейства аэродинамических характеристик Н = f(Q) для случая регулирования производительности изменением скорости вращения электропривода.

Второй блок 28 вычисления мощности сети вычисляет потребляемую мощность из сети в соответствии с выражением

Po = —, 4 где N< =

=aQ +bq+c— мощность, потребляемая вентилятором, Вт; коэффициенты аппроксимации семейства кривых выходных характеристик М =

Ь вЂ” f(Q) для случая регулирования производительности изменением скорости вращения электропривода. Например для вентилятора ВЦ-32 они равны: а, Ь, с— а = 154, 1u (-0,57) +1u0u и

const; с=с,=

КПД системы привода при питании от преобразователя частоты, обычно принимается равным $„=0,94О, 95, диаметр рабочего колеса вентилятора, м.

D в

H+dQ2 +1 амы ж

-k, Q2 К Я+ -О, 1Q +50Q+3450

Си где 1 = — — относительная скорость " н вращения вала вентилятора, ы — текущая скорость вращения вала вентилятора, рад/с;. с1 - номинальная скорость вращения вала вентилятора, рад/с;

1442704

Блоки вычисления могут быть выполненыы на аналоговых элементах пли на устройствах микропроцессорной тех— ники.

Сигнал, пропорциональный . вычисленному значению мощности сети, с выхода второго блока 28 вычисления мощности сети поступает на нервый вход второго блока 29 сравнения, на второй вход которого поступает сигнал с выход» датчика 5 мощности, выходной слопал второго блока 29 сравнения через второй нелинейный блок 30 (типа вентиль ) поступает на второй релейный элемент 31. Последний срабатывает, в результате от блока 24 питания через второй нормально разомкнутый блок-контакт 35 второго релейного элемента 3l и второй нормально замкнутый блок-контакт 15 первого релейного элемента 11 напряжение поступает на второй релейный элемент 31.

Сигнал с выхода блока 27 вычисления скорости вращения поступает на вход, с выхода которого через первый нормально разомкнутый блок-контакт 34 второго релейного элемента 31 сигнал поступает па вход преобразователя 6 частоты с системой управления. Выходной сигнал второго релейного элемента 31 поступает на вход второго блока Зб выдержки времени, с выхода которогО по истечении выдержки времени сигнал поступает на второй вход коммутирующего устройства l3.

При срабатывании второго релейного элемента 31 разрывается цель питания первого релейного элемента 11 посредством BTopoIQ нормально замкну того блок-контакта 33 второго релейного элемента 31, вь..;.одной сигнал первого нелинейного блока 8 прп этом равен нулю, так как мощность при регулировании направляющим аппаратам

3 превышает мощность при регулировании скоростью электропривода 1. Одновременно становится равным нулю сигнал, поступающий на третий вход блока 22 управления направляющим аппаратом. Направляющий аппарат 3 постепенно начинает открываться. Одновременно коммутирующее устройство

13 прекращает шунтировать преобразователь 6 частоты с системой управления, скорость вращения электропривода 11 постепенно уменьшается.

Так происходит до тех пар, пока угол установки направляющего аппарата 3 не станет равным нулю, а скорость вращения вала электропривода 1 не станет равной вычисленному ее значению. К, окончанию этого процесса электропривод 1 переходит на регулируемый режим работы, контроль энергетических параметров системы привода осуществляется рассмотренным образом.

5 l0

25 (ся по известным методикам. Регулятор

В условиях некоторых производств: в турбокомпрессорах по производству сжатого воздуха, воздуходувках до" менных печей и др. важно регулировать давление на выходе при меняющейся производительности. В такам случае устройство снабжается регулятором давления вместо регулятора производительности. Структура указанного регулятора может быть такой же, как и регулятора производительности, однако, параметры настройки должны быть другими. Их расчет осуществляетдавления подключается к датчику дав— ления. Структура блоков вычисления мощности сети, установки углов направляющего аппарата, скорости вращения турбомеханизма остается без изменения.

Формула изобретения

Устройство для управления электроприводом турбомеханизма с направляющим аппаратом вентиляторной установки, содержащее первый блок сравнения, последовательно соединенные датчик мощности сети и преобразователь частоты с системой управления, по выходу связанный с электроприводом, блок задания производительности,первый нелинейный блок, датчик давления и датчик производительности, связанные с турбамеханиэмом и последовательно соединенные первый релейный элемент, первый блок выдержки времени и коммутирующее устройство, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входу и выходу преобразователя частоты с системой управления, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности путем определения оптимального значения скорости электропривода для перехода на аэродинамическое регулирование производительности вентиляторной установки, первый релейный элемент выполнен с двумя нормально

1442704!

Составитель В.Колясников

Редактор Н.Тупица Техред М.Ходацшч Корректор C.lileKMap

Заказ 6365/31 Тираж 574 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 замкнутыми и двумя нормально разомкнутыми блок-контактами а устрой) Э ство дополнительно содержит последовательно соединенные блок вычисления угла установки направляющего аппарата и первый блок вычисления мощности сети, первый и второй запоминающие блоки, последовательно соединенные блок управления направляющим аппаратом и 1!) исполнительный механизм направляющего аппарата, связанный с направляющим аппаратом, блок питания, датчик скорости, связанный с электроприводом, датчик угла установки направ- 15 ляющего аппарата, связанный с направляющим аппаратом, последовательно соединенные блок вычисления скорости вращения, второй блок вычисления мощности сети, второй блок сравнения, 2!) второй нелинейный блок, второй релейный элемент с двумя нормально замкнутыми и двумя нормально разомкнутыми блок-контактами и второй блок выдержки времени, регулятор производитель- 25 ности, связанный с блоком задания производительности, датчик мощности сети подключен к первому и второму входам соответственно первого и второго блоков сравнения, второй вход ЗО первого из которых подключен к выходу первого блока вычисления мощности сети, первый и второй выходы блока задания производительности подключены к первому и второму входам соответственно блока управления направляющим аппаратом и преобразователя частоты с системой управления, третий вход которого подключен к датчику скорости, а четвертый через первый нормально разомкнутый блок-контакт второго релейного элемента к выходу второго запоминающего блока, вход которого через первый нормально замкнутый блок-контакт второго релейно45 го элемента подключен к второму выходу блока вычисления скорости вращения, выход второго блока выдержки времени подключен к второму входу коммутирующего устройства, датчик угла установки направляющего аппарата подключен к второму входу блока управления направляющим аппаратом, второй вход которого через первый нормально разомкнутый блок-контакт первого релейного элемента подключен к выходу первого запоминающего блока, вход которого через первый нормально замкнутый блок-контакт первого релейного элемента подключен к второму выкоду блока вычисления угла установки направляющего аппарата, датчик давления подключен к первым входам блока вычисления скорости вра щения и блока вычисления угла установки направляющего аппарата, датчик производительности подключен к регулятору производительности и к вторым входам первого и второго блоков вычисления мощности сети, блока вычисления скорости вращения и блока вычисления угла установки направляющего аппарата, выход первого из которых подключен к второму входу первого блока сравнения, выход которого через первый нелинейный блок подключен к первому входу первого релейного элемента, второй вход которого через последовательно включенные второй нормально замкнутый блок-контакт второго релейного элемента и второй нормально разомкнутый блок-контакт первого релейного элемента подключен к первому выходу блока питания, второй выход которого через последовательно включенные второй нормально замкнутый блок-контакт первого релейного элемента и второй нормально разомкнутый блок-контакт второго релейного элемента подключен к второму входу второго релейного элемента.