Електропривід насоса підвищувача тиску води

Реферат: Винахід належить до галузі протипожежного захисту і може бути використаний в системах внутрішнього протипожежного водопостачання, інших протипожежних системах з наявністю асинхронних двигунів та електроприводах, які вимагають підвищеної надійності зі сторони електропостачання. Електропривід містить акумуляторні батареї, які можуть акумулювати електричну енергію як від однофазної, так і від трифазної мережі змінного струму загального використання. У випадку відключення мережі, енергія накопичена в акумуляторних батареях використовується для живлення привідного двигуна насоса - підвищувача тиску води. Трифазний асинхронний двигун електроприводу насоса підвищувача тиску води живиться напругою квазісинусоїдної форми від акумуляторних батарей через схему перетворення напруг, яка сумісна з трифазною або однофазною мережами живлення. Формування напруг живлення двигуна базується на додаванні на трансформаторах фазних напруг з виходів мостових трифазних інверторів, що мають фазове зміщення. Під час пуску двигуна забезпечується частотний закон регулювання, що дає змогу обмежувати пускові струми двигуна і раціонально використовувати енергію акумуляторних батарей. UA 105287 C2 (12) UA 105287 C2 UA 105287 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі протипожежного захисту і може застосовуватися на об'єктах з масовим перебуванням людей для забезпечення роботи насоса підвищувача тиску води системи внутрішнього протипожежного водопостачання при відсутності живлення зі сторони електричної мережі загального використання. Відомий електропривід насоса підвищувача тиску води системи внутрішнього протипожежного водопостачання (Проектирование установок автоматического пожарутушения / Болотин Е. Т., Мажара И. И., Пестмаль Н. Ф. - Киев: Будівельник, 1980. 116 с.) живиться від електричної мережі загального використання через схему керування, яка забезпечує безпосереднє під'єднання привідного асинхронного двигуна (АД) до одного з двох вводів мережі змінного струму. Недоліком такого електроприводу є те, що АД безпосередньо під'єднаний до мережі змінного струму загального використання, що в умовах надзвичайної ситуації природного чи техногенного характеру, коли лінії електропередач пошкоджені або знеструмлені, робота насоса підвищувача тиску води системи внутрішнього протипожежного водопостачання стає неможливою. Це в умовах пожежі може призвести до великих людських та матеріальних втрат. Крім того, в такому електроприводі пуск АД здійснюється при номінальній напрузі і частоті мережі живлення, що спричиняє великі пускові струми, які перевищують номінальний струм АД в 5-8 разів. Найбільш близьким по технічній суті до пристрою згідно з винаходом, є вибраний в ролі прототипа електропривід насоса підвищувача тиску води, що містить два мостові трифазні інвертори, з'єднаний з ними перший блок керування, два трифазні трансформатори, до первинних обмоток яких під'єднанні виходи мостових трифазних інверторів, причому по вхідному колу перший і другий мостові трифазні інвертори з'єднанні паралельно, трифазний двигун змінного струму, з'єднаний з вторинними обмотками трансформаторів, з'єднаних за схемою додавання, керований випрямляч, з'єднаний з входом мостових трифазних інверторів, систему керування та контролю, виходи якої під'єднані до керованого випрямляча і першого блока керування. В такому електроприводі забезпечується частотний пуск АД, оскільки керуючий вплив на керований випрямляч і блок керування інверторами здійснюється від блока системи керування та контролю, в якому реалізовано закон частотного регулювання. [Плахтина О.Г., Боднар Г.Й., Куцик А.С. Процеси і характеристики в асинхронному електроприводі з каскадним інвертором напруги // Вісник ХДПУ. 36. наук, праць. Темат. випуск 113.-Харьків: Вид-во ХДПУ.-2000.- с.131132]. У схемі прототипу амплітуда напруги живлення АД регулюється керованим випрямлячем, а частота - шляхом зміни тривалості роботи вентилів мостових трифазних інверторів. Крива напруги живлення АД має квазісинусоїдну форму. Формування кривої напруги квазісинусоїдної форми відбувається на трансформаторах внаслідок додавання фазних напруг з виходів мостових трифазних інверторів, які мають фазове зміщення. Тому в такому електроприводі забезпечується плавний пуск АД при значно менших струмах і регулювання швидкості обертання вала насоса здійснюється в широкому діапазоні. Однак це є можливим лише при умові надійного і безперебійного живлення електроприводу зі сторони електромережі. Недоліком відомих електроприводів є те, що для забезпечення роботи насоса підвищувача тиску води системи внутрішнього протипожежного водопостачання в умовах надзвичайної ситуації додатково потрібно використовувати генераторну установку з приводом від двигуна внутрішнього згорання. Як відомо, така установка створює шум і повинна бути розміщена в окремі будівлі та вимагає певного часу для приведення її в дію, що в умовах виникнення та розвитку пожежі на початковій стадії є неприпустимим. В основу винаходу поставлено задачу розроблення електроприводу насоса підвищувача тиску води системи внутрішнього протипожежного водопостачання, в якому нове використання і виконання з'єднань додаткових елементів схеми дозволяє забезпечити надійну і безперебійну роботу електроприводу насоса незалежно від стану мережі змінного струму загального використання, що в умовах надзвичайної ситуації природного чи техногенного характеру при пожежах є актуальною проблемою. Поставлена задача вирішується тим, що в електроприводі насоса підвищувача тиску води, що містить два мостові трифазні інвертори, з'єднаний з ними перший блок керування, два трифазні трансформатори, до первинних обмоток яких під'єднанні виходи мостових трифазних інверторів, причому по вхідному колу перший і другий мостові трифазні інвертори з'єднанні паралельно, трифазний двигун змінного струму, з'єднаний з вторинними обмотками трансформаторів, з'єднаних за схемою додавання, другий блок керування, керований випрямляч, систему керування та контролю, виходи якої під'єднані до керованого випрямляча і 1 UA 105287 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 першого та другого блока керування, блок тиристорів, блок акумуляторних батарей, додатні виводи яких через тиристори блока тиристорів під'єднанні до входу мостових трифазних інверторів, причому вихід керованого випрямляча з'єднаний з крайнім додатним виводом блока батарей, вихід другого блока керування з'єднаний з керуючими виводами тиристорів блока тиристорів, а вхід - з системою керування та контролю. В такому електроприводі формування кривої напруги живлення АД приводу насоса здійснюється внаслідок додавання на трансформаторах фазних напруг з виходу першого мостового трифазного інвертора з відповідними їм фазними напругами з виходу другого мостового трифазного інвертора, що мають зміщення у часі на кут 30 ел. град. При додаванні в такому випадку компенсуються вищі гармоніки, особливо 5-а і 7-а, 11-а і 13-а, які спричиняють додаткові втрати потужності і створюють коливні електромагнітні моменти в АД. Під час пуску двигуна амплітуда напруги живлення визначається величиною постійної напруги на вході інверторів, а частота - періодом роботи вентилів інверторів. Живлення АД від АБ з мостовими трифазними інверторами на відміну від живлення його від дизель-генераторної установки дає змогу спростити схему електропостачання електроприводу та покращити енергетичні показники і, головне, незалежно від стану мережі загального використання забезпечити надійну та безперебійну роботу насоса в умовах надзвичайної ситуації природного чи техногенного характеру при пожежах на початкових стадіях. На фіг. 1 наведена функціональна схема електроприводу, де 1 - комутаційна апаратура; 2 керований випрямляч; 3 - блок акумуляторних батарей; 4 - блок тиристорів; 5 - система керування та контролю; 6 - другий блок керування; 7 - перший блок керування; 8, 9 - мостові трифазні інвертори; 10, 11 - трифазні трансформатори; 12 - асинхронний двигун; 13 - водяний насос. На фіг. 2 наведені векторні діаграми першої гармоніки фазних напруг (А1,В1,С1) на виході першого (А1,В1,С1) і другого (А2,В2,С2) мостових трифазних інверторів. На фіг. 3 наведена крива фазної напруги живлення АД. На фіг.4 показано закон зміни у часі амплітуди і частоти напруги живлення АД під час пуску. На фіг. 5 наведено осцилограму струму на вході інверторів, зняту на експериментальній установці під час пуску АД при постійній частоті. Електропривід насоса підвищувача тиску води (фіг.1) містить два мостові трифазні інвертори 8, 9, які по вхідному колу з'єднані паралельно і під'єднанні до виходу блока тиристорів 4, входи якого з'єднані з додатними виводами блока акумуляторних батарей 3, який в свою чергу крайнім додатним виводом під'єднаний до виходу керованого випрямляча 2, виходи мостових трифазних інверторів 8, 9 з'єднані з первинними обмотками трифазних трансформаторів 10, 11, вторинні обмотки яких з'єднані за схемою додавання і під'єднанні до асинхронного двигуна 12 приводу водяного насоса 13. Вихід першого блока керування 7 з'єднаний з керуючими входами мостових трифазних інверторів 8, 9, вихід другого блока керування 6 з'єднаний з керуючими виводами тиристорів блока тиристорів 4, а входи цих блоків з'єднані з системою керування та контролю 5, яка крім того з'єднана з керованим випрямлячем 2. У випадку відсутності живлення зі сторони мережі змінного струму загального використання АД 12 насоса підвищувача тиску води 13 отримує живлення від блока акумуляторних батарей 3. Контроль за наявністю напруги в мережі загального використання здійснює система керування та контролю 5. В черговому режимі при наявності напруги в мережі акумуляторні батареї блока батарей 3 накопичують енергію від керованого випрямляча 2. Величина струму заряду і стан АБ контролюються системою керування та контролю 5. В робочому режимі енергія батарей використовується для пуску і роботи АД. Тому під час пуску АД 12 система керування та контролю 5 здійснює одночасно керуючий вплив через перший і другий блоки керування 6, 7 на мостові трифазні інвертори 8,9 та блок тиристорів 4, забезпечуючи при цьому частотний пуск АД (фіг. 4). В такому величина струму двигуна є значно меншою під час пуску, ніж у випадку прямого пуску від мережі. Формування квазісинусоїдної кривої напруги живлення АД відбувається за рахунок того, що в першому блоці керування 7 задавальний генератор тактових імпульсів у відповідності до сигналу задання формує послідовність їх надходження з частотою в 6 разів вище вихідної частоти напруги мостових трифазних інверторів 8,9, які надходять на вхід регістра першого мостового трифазного інвертора 8 і фазозсуваючого пристрою, на виході якого тактові імпульси зсуваються на кут 30 ел. град. З виходу фазозсуваючого пристрою імпульси надходять на вхід регістра другого мостового трифазного інвертора 9. На виходах регістрів обох інверторів формується трифазна система парафазних сигналів типу "меандр", які після гальванічної розв'язки і підсилення надходять на керуючі входи силових ключів (транзистори, тиристори) 2 UA 105287 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 мостових трифазних інверторів 8, 9. При цьому на керуючі входи другого інвертора надходить система імпульсів, що є зсунута на 30 ел. град. Тому між відповідними фазними напругами інверторів є зміщення (фіг. 2). Далі ці напруги на трансформаторах 10,11 додаються. При додаванні компенсуються вищі гармоніки і крива напруги має квазісинусоїдну форму (фіг. 3). Під час частотного пуску АД від блока акумуляторних батарей регулювання амплітуди напруги живлення в схемі (фіг. 1) відбувається наступним чином. Сигнал на пуск АД надходить з блока системи керування та контролю 5 на перший і другий блоки керування 6,7, які в свою чергу, формують імпульси керування для тиристорів VS1, VS2,…, VSn блока тиристорів 4 і мостових трифазних інверторів 8, 9. Тиристори VS1, VS2,…, VSn блока тиристорів 4 поступово відкриваються і на входи мостових трифазних інверторів 8, 9 у часі стрибкоподібно подаються напруги U1, U2,…, Un (фіг. 4). При цьому зміна частоти відбувається за лінійним законом, забезпечуючи в моменти часу t1, t2,…, tn співвідношення закону частотного регулювання U1 U2 Un   . f1 f2 fn В блоці тиристорів 4 відповідно до сигналу задання відбувається поступове послідовне під'єднання акумуляторних батарей і до входу інверторів подається напруга стрибкоподібної форми. Так у момент пуску АД відкривається тиристор VS1 і до входу інверторів подається напруга U1 (фіг. 4). В момент часу t1 подається сигнал керування на тиристор VS2, він відкривається і до попередньої напруги U1 додається напруга акумуляторної батареї. Тиристор VS1 при цьому закривається, оскільки потенціал його катода стає більшим за потенціал анода на величину напруги акумуляторної батареї. А тому загальна напруга, яка подається до входу мостових трифазних інверторів становить U2. Далі в момент часу t2 відкривається тиристор VS3, при цьому аналогічно попередньому випадку закривається тиристор VS2 і так продовжується далі, аж поки не відкриється останній тиристор VSn і напруга на вході мостових трифазних інверторів досягне значення, що забезпечує номінальну напругу живлення АД. Стрибкоподібна форма напруги в три ступені на вході мостових трифазних інверторів відображена на осцилограмі (фіг. 5), знятій під час експерименту. Така схема під'єднання акумуляторних батарей в блоці батарей 4 дає можливість також вводити, для збільшення часу роботи електроприводу, додаткові резервні акумуляторні батареї. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Електропривід насоса підвищувача тиску води, що містить два мостові трифазні інвертори, з'єднаний з ними перший блок керування, два трифазні трансформатори, до первинних обмоток яких під'єднані виходи мостових трифазних інверторів, причому по вхідному колу перший і другий мостові трифазні інвертори з'єднані паралельно, трифазний двигун змінного струму, з'єднаний з вторинними обмотками трансформаторів, з'єднаних за схемою додавання, керований випрямляч, систему керування та контролю, виходи якої під'єднані до керованого випрямляча і першого блока керування, який відрізняється тим, що додатково містить другий блок керування, блок тиристорів, блок акумуляторних батарей, додатні виводи яких через тиристори блока тиристорів під'єднані до входу мостових трифазних інверторів, причому вихід керованого випрямляча з'єднаний з крайнім додатним виводом блока батарей, вихід другого блока керування з'єднаний з керуючими виводами тиристорів блока тиристорів, а вхід - з системою керування та контролю. 3 UA 105287 C2 4 UA 105287 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5