Контроллер для управления системами вентиляции и водоснабжения методом частотного регулирования электропривода

Полезная модель относится к области управления системами вентиляции и водоснабжения методом частотного регулирования электропривода и может быть использована для оптимизации технологических процессов водоснабжения и вентиляции, повышения эффективности работы насосных и вентиляционных станций за счет комплексного управления насосным, гидромеханическим, вентиляционным и электротехническим оборудованием, в частности, на железнодорожном транспорте. Техническим результатом, на достижение которого направлена заявленная полезная модель, является сокращение потребляемой электроэнергии, повышение точности регулирования производительности насосов и вентиляторов и соответственно экономия расхода перекачиваемой среды. Техническим результат достигается за счет того, что контроллер содержит модуль силовой (МС), драйвер управления силовым модулем (ДУСМ), схему начальной зарядки конденсаторов (СУЗ), дроссель (ДР), блок конденсаторов (БК), резистор сброса нагрузки (Rт), датчик напряжения (ДН), два датчика тока (ДТ1, ДТ2), две схемы гальванической развязки (СГР1, СГР2), коммутатор дискретного вывода (КДВ), модуль микроконтроллера (ММК), пульт управления (ПУ), источник питания технологический (ИПТ), вентилятор охладителя (ВО). При этом модуль силовой МС включает в себя выпрямитель трехфазный (В-3Ф), коммутатор разряда конденсаторов (K-R) и три коммутатора фазы (КФ-U, КФ-V, КФ-W), а модуль микроконтроллера ММК включает в себя микропроцессор (МП), таймер реального времени (ТРВ), драйверы интерфейсов связи (ДИС) RS232 и RS485, схему сопряжения с аналогово-цифровым преобразователем (СС-АЦП) и схему гальванической развязки дискретного ввода (СГГ-ДВх). В состав пульта управления ПУ входят контроллер пульта (КП), жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) и клавиатура (КЛ).

Полезная модель относится к области управления системами вентиляции и водоснабжения методом частотного регулирования электропривода и может быть использована для оптимизации технологических процессов водоснабжения и вентиляции, повышения эффективности работы насосных и вентиляционных станций за счет комплексного управления насосным, гидромеханическим, вентиляционным и электротехническим оборудованием, в частности, на железнодорожном транспорте.

Известна станция группового управления насосными или вентиляторными установками, содержащая в отдельности блок программного управления, блок преобразования частоты, блок преобразования напряжения по амплитуде, пульт управления, датчик состояния технологического параметра и комбинационную коммутационную систему переключения всасывающих и нагнетательных магистралей насосов или вентиляторов (см. изобретение RU 2129227 С1, 20.04.1999 г. «Станция группового управления насосными или вентиляторными установками»).

Недостатками известного технического решения являются сравнительно низкая точность регулирования производительности насосов и вентиляторов и значительно высокая инерционность системы управления вцелом, что приводит к дополнительному перерасходу энергозатрат (например, электроэнергии), связанных с осуществлением работы насосных станций и вентиляторных установок, а также недостаточное или избыточное обеспечение перекачиваемой средой объектов-потребителей.

Техническим результатом, на достижение которого направлена заявленная полезная модель, является сокращение потребляемой электроэнергии, повышение точности регулирования производительности насосов и вентиляторов и соответственно экономия расхода перекачиваемой среды.

На фиг.1 приведена структурная схема контроллера для управления системами вентиляции и водоснабжения методом частотного регулирования электропривода на которой модуль силовой (МС), драйвер управления силовым модулем (ДУСМ), схему начальной зарядки конденсаторов (СУЗ), дроссель (ДР), блок конденсаторов (БК), резистор сброса нагрузки (Rт), датчик напряжения (ДН), два датчика тока (ДТ1, ДТ2), две схемы гальванической развязки (СГР1, СГР2), коммутатор дискретного вывода (КДВ), модуль микроконтроллера (ММК), пульт управления (ПУ), источник питания технологический (ИПТ), вентилятор охладителя (ВО). При этом модуль силовой МС включает в себя выпрямитель трехфазный (В-3Ф), коммутатор разряда конденсаторов (K-R) и три коммутатора фазы (КФ-U, КФ-V, КФ-W), а модуль микроконтроллера ММК включает в себя микропроцессор (МП), таймер реального времени (ТРВ), драйверы интерфейсов связи (ДИС) RS232 и RS485, схему сопряжения с аналогово-цифровым преобразователем (СС-АЦП) и схему гальванической развязки дискретного ввода (СГГ-ДВх). В состав пульта управления ПУ входят контроллер пульта (КП), жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) и клавиатура (КЛ).

Контроллер работает следующим образом.

Трехфазное сетевое напряжение выпрямляется выпрямителем В-3Ф и через дроссель ДР подается на конденсаторы фильтра БК, образуя звено постоянного тока частотного преобразователя. Использование дросселя в звене постоянного тока, несмотря на некоторое увеличение массы, габаритов и стоимости изделия оправдано с точки зрения увеличения ресурса работы и

надежности изделия ввиду значительного снижения уровня пульсаций напряжения на конденсаторах и амплитуды импульсов тока выпрямителя.

Той же цели служит СУЗ, установленная на входе выпрямителя. Основной задачей СУЗ, является ограничения бросков тока заряда конденсаторов в момент подключения преобразователя к сети.

Постоянное двухполярное напряжение с выхода БК подается на три идентичных коммутатора фаз КФ-U, КФ-V, КФ-W. Каждый коммутатор представляет собой стойку, выполненную на мощных IGBT транзисторах. Формирование выходных фазных токов преобразователя производится путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения звена постоянного тока, выполняемой коммутаторами фаз по определенному закону.

Для защиты от повышения напряжения на БК сверх допустимого предела, которое возможного в режиме торможения или аварийной остановки двигателя в схему привода включен дополнительный коммутатор K-R. В задачу которого входит обеспечение сброса перезаряда конденсаторов на внешнюю нагрузку Rт.

В-3Ф, K-R, КФ-U, КФ-V и КФ-W выполнены в виде конструктивного единого силового модуля МС. Такое техническое решение, помимо удобства применения, обеспечивает оптимальные условия по разводке токовых цепей, температурному согласованию и охлаждению силовых элементов схемы, а также снижению электромагнитного излучения.

Управление затворами IGBT транзисторов МС осуществляет драйвер управления силового модуля ДУСМ. Драйвер обеспечивает включение и выключение транзисторов с учетом допустимой траектории изменения коммутируемого тока, а также защиту транзисторов от следующих факторов:

- протекание сквозного тока;

- выход из режима насыщения;

- превышение допустимого тока;

- снижение напряжения питания;

- перегрев.

Формирование сигналов управления коммутаторами, согласно заданного алгоритма работы и отслеживание состояния органов защиты производится микроконтроллером МК. Подключение МК к силовой части преобразователя выполнено через схему гальванической развязки СГР1.

Помимо прямого управления преобразованием частоты МК дополнительно выполняет функции контроллера системы. Для поддержки указанной функции в состав МК включены следующие узлы:

- таймер реального времени ТРВ;

- драйверы последовательных каналов связи RS-232 RS485;

- схемы сопряжения с АЦП-СС АЦП;

- схема дискретного ввода с гальванической развязкой СГР ДВх на 8 каналов;

- четырех канальный коммутатор дискретного вывода КДВ со своей схемой гальванической развязки.

Интерфейс пользователя специализированного контроллера организован в виде пульта управления ПУ включающего клавиатуру К и двухстрочного ЖКИ дисплея. Управление дисплеем и клавиатурой, связь с МК, а также логическую обработку вводимой о и отображаемой информации осуществляет контроллер дисплея.

Выходной ток от двух каналов преобразователя и напряжение звена постоянного тока измеряется соответственно датчиками тока ДТ1, ДТ2 и напряжения ДН. Выходные сигналы указанных датчиков подаются на входы АЦП микроконтроллера и используются для отслеживания выходных параметров преобразователя и реализации функции защиты.

Электропитание узлов схемы производится от технологического источника питания ИПТ небольшой мощности.

Охлаждение тепловыделяющих элементов конструкции осуществляется принудительно с помощью вентилятора охладителя ВО.

Особенностью предложенной схемы специализированного контроллера является оптимизация его функциональных возможностей, технических

характеристик и конструкции для выполнения задачи управления насосными агрегатами.

Значительно расширены функции контроллера, с целью исключения из технологической схемы управления оборудованием логического контроллера, являющегося непременным элементом системы управления при использовании стандартного частотного привода.

Изложенные подходы позволили получить комплексное решение для управления насосной станцией, не требующее использования дополнительного оборудования и избыточной мощности частотного преобразователя.

Предложенное решение, позволяет также оптимизировать стоимость оборудования, поскольку для управления системой требуется частотный привод существенно меньшей мощности. Для этого на контроллер накладывается дополнительная функция коммутации выхода частотного преобразователя для поочередной работы на несколько насосных агрегатов.

Заявленная полезная модель контроллера для управления системами вентиляции и водоснабжения методом частотного регулирования электропривода позволяет осуществить полную автоматизацию процесса регулирования производительности насосов и вентиляторов, что приводит к сокращению потребляемой электроэнергии на 20%, к повышению точности регулирования производительности насосов и вентиляторов на 30% и экономии расхода перекачиваемой среды на 25%.

Контроллер для управления системами вентиляции и водоснабжения методом частотного регулирования электропривода, содержащий пульт управления (ПУ), включающий в себя соединенные между собой контроллер пульта (КП), жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) и клавиатуру (КЛ), отличающийся тем, что дополнительно содержит подключенные к сети питания вентилятор охладителя (ВО), схему начальной зарядки конденсаторов (СУЗ) и источник питания технологический (ИПТ), обеспечивающий питание всех блоков контроллера, причем выход СУЗ подключен к входу модуля силового (МС), включающего в себя выпрямитель трехфазный (В-3Ф), вход которого является входом МС, и соединенные между собой три коммутатора фазы (КФ-U, КФ-V, КФ-W) и коммутатор разряда конденсаторов (K-R), также в состав контроллера входит дроссель (ДР), подключенный входом к В-3Ф, а выходом к блоку конденсаторов (БК), первый выход которого подключен к входам КФ-U, КФ-V, КФ-W и K-R, а второй выход - к датчику напряжения (ДН), причем выход K-R подключен к резистору сброса нагрузки (Rт), выход КФ-U подключен к первому датчику тока (ДТ1), выход КФ-V подключен к второму датчику тока (ДТ2), а выход КФ-W подключен напрямую к нагрузке, драйвер управления силовым модулем (ДУСМ), подключенный группой входов-выходов к коммутаторам фазы, входящим в состав МС, и одним входом-выходом к первой схеме гальванической развязки (СГР1), которая вторым входом-выходом подключена к модулю микроконтроллера (ММК), второй вход-выход которого в свою очередь подключен к ПУ, причем модуль микроконтроллера включает в себя микропроцессор (МП), к входу которого подключен таймер реального времени (ТРВ), а к выходу - драйверы интерфейсов связи RS232 и RS485 (ДИС), схема сопряжения с аналогово-цифровым преобразователем (СС-АЦП) и схема гальванической развязки дискретного ввода (СГГ-ДВх), при этом выход ММК, который также является выходом МП, соединен с входом второй схемы гальванической развязки (СГР2), выход которой соединен с коммутатором дискретного вывода (КДВ).