Устройство для моделирования системы двигатель - насос - трубопровод

 

Изобретение относится к области моделирования и может быть использовано при электродинамическом моделировании комплекса взаимосвязанных динамических режимов работы насосов систем машинного орошения (водоподъемные насосные установки). Техническим результатом изобретения является сокращение энергозатрат. Заявляемое изобретение отличается от прототипа наличием переключателей вариантов режимов пуска системы двигатель-насос-трубопровод, регуляторов типа ПИ, пропорциональных регуляторов и линий задержек. Заявляемая электродинамическая модель дает возможность смоделировать процессы в указанной системе в зависимости от их конструктивной компоновки и режимов пуска. 3 ил.

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

Известны разработки и выполнены 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.

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. 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 на управляющие электроды тиристоров, осуществляя их открытие 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, напряжению и скорости подаются в остальные обмотки магнитного усилителя.

Основным недостатком прототипа является значительные энергозатраты.

Целью изобретения является сокращение энергозатрат.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для моделирования системы двигатель-насос-трубопровод, содержащее приводной двигатель, тахогенератор, установленный на валу приводного двигателя, усилитель, тиристорный преобразователь, блок управления тиристорным преобразователем, отличающиеся тем, что в него введены подключенный входом к выходу тиристорного преобразователя питающий трансформатор, выходом соединенный с питающей сетью, с которой соединен вход приводного двигателя, подключенный к выходу тахогенератора блок нелинейно-степенного преобразования, генератор постоянного тока независимого возбуждения, установленный на валу приводного двигателя, и подключенный к входу тиристорного преобразователя, обмотка управления усилителя, первый переключатель вариантов режимов пуска, первый ПИ-регулятор, первый автоматический переключатель регуляторов, второй переключатель вариантов режимов пуска, первая линия задержки, первый пропорциональный регулятор, второй ПИ-регулятор, второй автоматический переключатель регуляторов, третий переключатель вариантов режимов пуска, третий ПИ-регулятор, третий автоматический переключатель регуляторов, четвертый переключатель вариантов режимов пуска, вторая линия задержки, второй пропорциональный регулятор, четвертый ПИ-регулятор, четвертый автоматический переключатель регуляторов, пятый переключатель вариантов режимов пуска, третья линия задержки, третий пропорциональный регулятор, пятый ПИ-регулятор, пятый автоматический переключатель регуляторов и элемент сравнения, причем входы первого, второго, третьего, четвертого и пятого переключателей вариантов режимов пуска соединены между собой параллельно и соединены с выходом элемента сравнения, выход тахогенератора соединен с одним из входов элемента сравнения, вход первого ПИ-регулятора соединен с выходом первого переключателя вариантов режимов пуска, а его выход соединен с одним из входов первого автоматического переключателя регуляторов, входы первого пропорционального регулятора и первой линии задержки соединены между собой параллельно и соединены с выходом второго переключателя вариантов режимов пуска, выход первой линии задержки соединен с входом второго ПИ-регулятора, выходы первого пропорционального регулятора и второго ПИ-регулятора являются одним из входов второго автоматического переключателя регуляторов, вход третьего ПИ-регулятора соединен с выходом третьего переключателя вариантов режимов пуска, а выход его с одним из входов третьего автоматического переключателя регуляторов, входы второго пропорционального регулятора и второй линии задержки соединены между собой параллельно и соединены с выходом четвертого переключателя вариантов режимов пуска, выход второй линии задержки соединен с входом четвертого ПИ-регулятора, выходы второго пропорционального регулятора и четвертого ПИ-регулятора являются одними из входов четвертого автоматического переключателя регуляторов, входы третьего пропорционального регулятора и третьей линии задержки соединены между собой параллельно и соединены с выходом пятого переключателя вариантов режимов пуска, выход третьей линии задержки соединен с входом пятого ПИ-регулятора, выходы третьего пропорционального регулятора и пятого ПИ-регулятора являются одними из входов пятого автоматического переключателя регуляторов, выход 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 со входом обмотки управления усилителя, выполненного в виде электромашинного усилителя, причем обмотка управления усилителя, обмотка возбуждения генератора постоянного тока соединены между собой последовательно, а выход тахогенератора соединен с входом блока управления тиристорного преобразователя.

На фиг. 1 представлена функциональная схема описываемой модели двигатель-насос-трубопровод; на фиг. 2- механическая характеристика насоса при пуске на закрытую регулируемую задвижку без учета гидравлического удара; на фиг. 3 механическая характеристика насоса при пуске на закрытую регулируемую задвижку с учетом гидравлического удара.

Устройство для моделирования системы двигатель-насос-трубопровод, содержащее приводной двигатель 1, тахогенератор 2, установленный на валу приводного двигателя 1, усилитель 3, тиристорный преобразователь 4, блок управления тиристорным преобразователем 5, отличающееся тем, что в него введены подключенный входом к выходу тиристорного преобразователя 4 питающий трансформатор 6, выходом соединенный с питающей сетью, с которой соединен вход приводного двигателя 1, подключенный к выходу тахогенератора 2 блок нелинейно-степенного преобразования 7, генератор постоянного тока 8 независимого возбуждения 9, установленный на валу приводного двигателя и подключенный к входу тиристорного преобразователя 4, обмотка управления усилителя 10, первый переключатель вариантов режимов пуска 11, первый ПИ-регулятор 12, первый автоматический переключатель регуляторов 13, второй переключатель вариантов режимов пуска 14, первая линия задержки 15, первый пропорциональный регулятор 16, второй ПИ-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, вторая линия задержки 23, второй пропорциональный регулятор 24, четвертый ПИ-регулятор 25, четвертый автоматический переключатель регуляторов 26, пятый переключатель вариантов режимов пуска 27, третья линия задержки 28, третий пропорциональный регулятор 29, пятый ПИ-регулятор 30, пятый автоматический переключатель регуляторов 31, и элемент сравнения 32, причем входы первого 11, второго 14, третьего 19, четвертого 22 и пятого 27 переключателей вариантов режимов пуска соединены между собой параллельно и соединены с выходом элемента сравнения 32, выход тахогенератора 2 соединен с одним из входов элемента сравнения 32, вход первого ПИ-регулятора 12 соединен с выходом первого переключателя вариантов режимов пуска 11, а его выход соединен с одним из входов первого автоматического переключателя регуляторов 13, входы первого пропорционального регулятора 16 и первой линии задержки 15 соединены между собой параллельно и соединены с выходом второго переключателя вариантов режимов пуска 14, выход первой линии задержки 15 соединен с входом второго ПИ-регулятора 17, выходы первого пропорционального регулятора 16 и второго ПИ-регулятора 17 являются одними из входов 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 второго пропорционального регулятора 24 и второй линии задержки 23 соединены между собой параллельно и соединены с выходом четвертого переключателя вариантов режимов пуска 22, выход второго линии задержки 23 соединен с входом четвертого ПИ-регулятора 25, выходы второго пропорционального регулятора 24 и четвертого ПИ-регулятора 25 являются одними из входов четвертого автоматического переключателя регуляторов 26, входы третьего пропорционального регулятора 29 и третьей линии задержки 28 соединены между собой параллельно и соединены с выходом пятого переключателя вариантов режимов пуска 27, выход третьей линии задержки 28 соединен с входом пятого ПИ-регулятора 30, выходы третьего пропорционального регулятора 29 и пятого ПИ-регулятора 30 являются одними из входов пятого автоматических переключателей регуляторов 31, выход блока нелинейно-степенного преобразования 7 соединен с другими входами первого 13, второго 18, третьего 21, четвертого 26 и пятого 31 автоматических переключателей регуляторов, а их выходы соединены параллельно между собой и со входом обмотки управления усилителя 10, выполненного в виде электромашинного усилителя, причем обмотка управления усилителя 10, обмотка возбуждения 9 генератора, постоянного тока 8 соединены между собой последовательно, а выход тахогенератора 2 соединен с входом блока управления 5 тиристорного преобразователя 4.

Существенным признаком заявляемого изобретения является наличие переключателей вариантов режимов пуска системы, автоматических 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-насос-трубопровод работает следующим образом. Приводной двигатель 1 приводит во вращение генератор постоянного тока 8 независимого возбуждения 8 и тахогенератор 2. Генератор постоянного тока 8 возбуждается от усилителя 3, который в свою очередь, управляется обмоткой управления 10, получая сигналы управления с выхода первого 13, второго 18, третьего 21, четвертого 26 и пятого 31 автоматических переключателей регуляторов. Одновременно с одним из выходов тахогенератора 2 сигнал поступает на один из входов элемента сравнения 32 и на вход блока управления 5 тиристорного преобразователя 4. На другой вход элемента сравнения 32 подается сигнал от стабильного источника питания, пропорциональный статическому напору.

Заявляемое изобретение позволяет смоделировать пуск системы двигатель-насос-трубопровод на закрытую регулируемую задвижку с учетом и без учета гидравлического удара.

При этом возможны следующие случаи: Случай 1. Модель пуска системы двигатель-насос-трубопровод при закрытой регулируемой задвижке с подключением насоса на индивидуальный напорный трубопровод с относительно небольшой длиной, достаточной для пренебрежения гидравлическим ударом, с противодавлением. Насос сочленен с приводным электродвигателем переменного тока, запускаемый прямым включением в сеть с постоянной частотой питающего напряжения и за время полного разгона. При этом регулируемая задвижка открывается после полного разгона электродвигателя-насоса до установившейся скорости, в частности номинального значения.

Определим характер изменения момента сопротивления насоса при пуске для рассматриваемого случая.

Момент сопротивления насоса М_c будет определяться из составляющих - последовательно соответствующих отрезкам времени t₁ и t₂. Время t₁ определяется разгоном двигателя-насоса.

Из состояния, при котором n=0 до n=n_н при закрытой задвижке (Q=0, H=H_н); время t₂ определяется с момента открытий регулируемой задвижки до ее полного открытия Н=Н_н, Q=Q_н /3-4/.

Первая составляющая момента сопротивления насоса определяется по формуле (1) После достижения номинальной частоты вращения системы двигатель-насос-трубопровод подается команда на открытие регулируемой задвижки. Обычно открытие регулируемой задвижки осуществляется по линейному закону. При этом изменение потребляемой мощности электроприводом происходит по линейному закону, что можно видеть из мощностных характеристик насоса N-Q при n=const /5/, если имеется отклонение от линейности, то это в основном за оптимумом КПД насоса.

При постоянном значении частоты вращения системы двигатель-насос-трубопровод и линейном изменении потребляемой мощности момент сопротивления насоса также будет изменяться по линейному закону Mc=p/n.

С учетом отмеченного на фиг. 2, представлен характер изменения момента сопротивления насоса для рассматриваемого случая.

Участок кривой "mа" на фиг. 2 формируется прототипом /2/, а участок "обв"- ПИ-регулятором. При этом будут задействованы первый переключатель вариантов режимов пуска 11, первый ПИ-регулятор и первый автоматический переключатель регуляторов 13.

Случай 2. Модель пуска системы двигатель-насос-трубопровод аналогична случаю 1, но с длинным трубопроводом и с учетом гидравлического удара. Для данного случая момент сопротивления насоса М_c при пуске состоит из трех составляющих , M_сгу и М_cQ, последовательно соответствующих моменту сопротивления, определяемому формулой (1), дополнительного момента от гидравлического удара и момента сопротивления работы насоса с подачей Q_н при n=n_н. Первая и третья составляющие известны и аналогичны случаю 1.

М_сгу момент сопротивления, обусловленный 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 остается 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.

Характер изменения момента сопротивления насоса с учетом трех отмеченных составляющих, представлен на фиг. 3, где участок момента сопротивления "mа" реализуется по цепи обратной связи по скорости /2/, "бвг" - пропорционально-интегральным регулятором (участок "бв" через пропорциональный регулятор, "вг" ПИ-регулятором, но с задержкой). При этом будут задействованы второй переключатель вариантов режимов пуска 14, первая линия задержки 15, пропорциональный регулятор 16, второй ПИ-регулятор 17 и второй автоматический переключатель регуляторов 18.

Случай 3. Модель пуска системы двигатель-насос-трубопровод аналогична случаю 1, но в общий напорный трубопровод. В этом случае конструктивно подключены несколько насосных агрегатов, в частности два, но насосные агрегаты не включены в работу при пуске одного из них. В данном случае механическая характеристика пускаемого насоса имеет вид, как для случая 1, фиг. 2.

Случай 4. Модель пуска системы двигатель-насос-трубопровод, аналогична случаю 3, но параллельные насосные агрегаты находятся в работе. В данном случае механическая характеристика пускаемого насоса имеет вид, как показано для случая 1, фиг. 2 и реализация модели аналогична.

Случай 5. Модель пуска системы двигатель-насос-трубопровод аналогична случаю 3, но трубопровод длинный. Характер изменения механической характеристики насоса имеет вид, как на фиг. 3. Реализация модели пуска системы аналогична случаю 3.

Случай 6. Модель пуска системы двигатель-насос-трубопровод аналогична случаю 4, но с длинным трубопроводом. Характер изменения момента сопротивления и его реализация аналогичны случаю 2. В качестве регуляторов в устройстве применены стандартные регуляторы, выполненные на операционных усилителях.

Заявляемое изобретение по сравнению с прототипом позволило сократить энергозатраты.

Формула изобретения

Устройство для моделирования системы двигатель насос трубопровод, содержащее приводной двигатель, тахогенератор, установленный на валу приводного двигателя, усилитель, тиристорный преобразователь, блок управления тиристорным преобразователем, отличающееся тем, что в него введены подключенный входом к выходу тиристорного преобразователя питающий трансформатор, выходом соединенный с питающей сетью, с которой соединен вход приводного двигателя, подключенный к выходу тахогенератора блок нелинейно-степенного преобразователя, генератор постоянного тока независимого возбуждения, установленный на валу приводного двигателя и подключенный к входу тиристорного преобразователя, обмотка управления усилителя, первый переключатель вариантов режимов пуска, первый пи-регулятор, первый автоматический переключатель регуляторов, второй переключатель вариантов режимов пуска, первая линия задержки, первый пропорциональный регулятор, второй пи-регулятор, второй автоматический переключатель регуляторов, третий переключатель вариантов режимов пуска, третий пи-регулятор, третий автоматический переключатель регуляторов, четвертый переключатель вариантов режимов пуска, вторая линия задержки, второй пропорциональный регулятор, четвертый пи-регулятор, четвертый автоматический переключатель регуляторов, пятый переключатель вариантов режимов пуска, третья линия задержки, третий пропорциональный регулятор, пятый пи-регулятор, пятый автоматический переключатель регуляторов и элемент сравнения, причем входы первого, второго, третьего, четвертого и пятого переключателей вариантов режимов пуска соединены между собой параллельно и соединены с выходом элемента сравнения, выход тахогенератора соединен с одним из входов элемента сравнения, вход первого пи-регулятора соединен с выходом первого переключателя вариантов режимов пуска, а его выход соединен с одним из входов первого автоматического переключателя регуляторов, входы первого пропорционального регулятора и первой линии задержки соединены между собой параллельно и соединены с выходом второго переключателя вариантов режимов пуска, выход первой линии задержки соединен с входом второго пи-регулятора, выходы первого пропорционального регулятора и второго пи-регулятора являются одними из входов 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 второго пропорционального регулятора и второй линии задержки соединены между собой параллельно и соединены с выходом четвертого переключателя вариантов режимов пуска, выход второй линии задержки соединен с входом четвертого регулятора, выходы второго пропорционального регулятора и четвертого пи-регулятора являются одними из входов четвертого автоматического переключателя регуляторов, входы третьего пропорционального регулятора и третьей линии задержки соединены между собой параллельно и соединены с выходом пятого переключателя вариантов режимов пуска, выход третьей линии задержки соединен с входом пятого пи-регулятора, выходы третьего пропорционального регулятора и пятого пи-регулятора являются одними из входов пятого автоматического переключателя регуляторов, выход 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, выполненного в виде электромашинного усилителя, причем обмотка управления усилителя, обмотка возбуждения генератора постоянного тока соединены между собой последовательно, а выход тахогенератора соединен с входом блока управления тиристорного преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3