1   2   3   4   5   6   7   8   9
Ім'я файлу: Bereziuk_magistr (2).docx
Розширення: docx
Розмір: 1761кб.
Дата: 19.04.2023
скачати
Пов'язані файли:
крусач(2.0).docx

Міністерство освіти І науки, МОЛОДІ ТА СПОРТУ України

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ
ІМЕНІ ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО»
Інститут енергозбереження та енергоменеджменту

(повна назва інституту/факультету)

Автоматизації управління електротехнічними комплексами

(повна назва кафедри)



«На правах рукопису»

УДК 681.5
«До захисту допущено»

Завідувач кафедри

___________ В.П. Розен

«21» грудня 2020 р.


Магістерська дисертація

на здобуття ступеня магістра

зі спеціальності: 141 – «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка»

спеціалізації: «Інжиніринг електротехнічних комплексів»

на тему: «Розроблення системи автоматичного керування електроприводом свердловинного насосу»
Студент групи ОА - 91мп Березюк Владислав Русланович __________

(підпис)
Науковий керівник к.т.н, доц., Пермяков В.М. __________

(підпис)

Консультанти:

Стартап-проект к.т.н, доц., Шевчук Н.А _______


(підпис)

Київ – 2020

ЗАТВЕРДЖУЮ

Завідувач кафедри

__________ В.П., Розен

«21» грудня 2020 р.
ЗАВДАННЯ

на магістерську дисертацію студенту

Студенту Березюк Владислав Русланович
1. Тема дисертації «Розроблення системи автоматичного керування електроприводом свердловинного насосу» затверджена наказом по університету від «3» Листопада 2020 р. № 5

2. Термін здачі студентом оформленої дисертації “21” грудня 2020 р.

3. Об’єкт дослідження: Процес автоматичного керування асинхронним електроприводом свердловинного насосу.

4. Предмет дослідження: Використання можливостей цифрової та напівпровідникової техніки на основі нових підходів до синтезу алгоритмів систем управління і структур електроприводів.

5. Перелік питань, які мають бути розроблені: Провести аналіз систем електроприводів, розробити автоматичну систему керування електродвигуном.

6. Перелік публікацій: Березюк В.Р. “Розроблення автоматичної системи керування електроприводом свердловинного насосу” // IIІ Науково-технічна конференція магістрантів ІЕЕ (за результатами дисертаційних досліджень магістрантів) 26 листопада 2020р.

7. Перелік ілюстративного матеріалу: 39 рисунків, 4 графіків, 14 схем, 10 таблиць.

8. Дата видачі завдання “2” вересня 2020р.

Науковий керівник _________ В.М. Пермяков

(підпис)
Завдання прийняв до виконання _________ В.Р. Березюк (підпис)

РЕФЕРАТ

Магістерська дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, переліку використаної літератури (81 сторінка машинописного тексту, 47 рисунків, 10 таблиць, 12 використаних джерел).
Актуальність теми. Зростання водоспоживання в промисловості та повсякденні вимагає підвищення інтенсивності використання існуючих і будівництва нових систем водопостачання. З економічної точки зору швидко і ефективно ця проблема вирішується за рахунок використання підземних джерел, вода яких найчастіше не вимагає очищення. При цьому виключається будівництво складних і дорогих очисних станцій, що займають великі площі, використання реагентів. В даний час йде прагнення зробити технологічний процес найбільш автоматизованим, а також створювати обладнання найбільш функціональне і доступне для розуміння звичайному користувачеві. Електроприводи споживають більше 60% вироблюваної електроенергії, підвищення їх енергетичної ефективності суттєво досягається переходом від нерегульованого асинхронного електроприводу до регульованого, який сприяє поліпшенню якісних характеристик технологічних процесів, надає можливість автоматизації виробництва, підвищує рівень енергозбереження і ресурсозбереження.
Метою дисертації є дослідження і розробка сучасної системи автоматичного керування електроприводом свердловинного насосу по системі перетворювач частоти – асинхронний двигун.
Об'єкт дослідження – процес автоматичного керування асинхронним електроприводом свердловинного насосу.
Предмет дослідження – використання можливостей цифрової та напівпровідникової техніки на основі нових підходів до синтезу алгоритмів систем управління і структур електроприводів.
Методи дослідження. Моделювання процесу роботи свердловинного насосу в MexBIOS Development Studio , статистичний аналіз даних, комп'ютерне моделювання засобами програм MATLAB, MathCAD.

ЗМІСТ

ВСТУП………………………………………………………………………………6

РОЗДІЛ 1 АНАЛІЗ СИСТЕМ ВОДОПОСТАЧАННЯ ТА ТЕХНОЛОГІЧНА ЧАСТИНА, ВИБІР НАСОСНОЇ УСТАНОВКИ…………………….…………7

    1. Автоматизація технологічних процесів……………………………………….7

    2. Існуючі системи водопостачання…………………………………………..…10

      1. Системи водопостачання населених пунктів………………………………10

      2. Системи водопостачання заміських будинків……………………………..13

    3. Аналіз технологічного процесу…………………………………………….…14

    4. Опис та основні технічні характеристики насосу……………………………17











РОЗДІЛ 2 АНАЛІЗ ІСНУЮЧИХ СИСТЕМ ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ ДЛЯ СВЕРДЛОВИННОЇ НАСОСНОЇ УСТАНОВКИ, ВИБІР СИСТЕМИ РЕГУЛЬОВАНОГО ЕЛКТРОПРИВОДУ, РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ ТА ХАРАКТЕРИСТИК ЕЛЕКТРОДВИГУНА……………………………...20





    1. Аналіз існуючих електроприводів……………………………………..…….20

    2. Класифікація електроприводів для насосних установок за принципом регулювання швидкості…………………………………………………….…22

      1. Нерегульований електропривід для насосних установок………….23

        1. Асинхронний електропривод з короткозамкненим ротором…………23

        2. Асинхронний електропривод з фазним ротором………………………24

        3. Електропривод з синхронним двигуном………………………………25

      2. Регульований електропривод для насосних установок………….…26

        1. Електропривод по схемі асинхронно-вентильний каскад………….….26

        2. Електропривод по схемі асинхронно-тиристорний каскад………..…30

        3. Асинхронний електропривод з тиристорним регулятором напруги (ТРН-АД)………………………………………………………………….32

        4. Частотно-регульований електропривод…………………………….…..34



    1. Вибір привідного електродвигуна………………………………………….…36

    2. Розрахунок параметрів та характеристик АД…………………………….…..38

      1. Параметри Т-образної схеми заміщення……………………….….....38

      2. Розрахунок механічної та електромеханічної характеристик в MathCad……………………………………………………………...…40

РОЗДІЛ 3 ІСНУЮЧІ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДОМ ТА МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ…………………………..…………43





    1. Основні способи регулювання швидкості електроприводу насосу….…..43

    2. Оцінка ефективності застосування частотного управління електроприводу для свердловинних насосів ……………………….……47

    3. Вибір перетворювача частоти……………………………………..….....…52

    4. Розрахунок і побудова механічних і електромеханічних

характеристик АД для закону U1/f………………………………….……...57

    1. Розрахунок перехідних процесів швидкості і моменту для режиму пуску та навантаження на валу двигуна……………………………………….…60

    2. Створення імітаційної моделі автоматичного регулювання рівня води в резервуарі ……………………………………………………………...……65

    3. Розробка алгоритмів функціонування системи управління в середовищі MexBIOS Development Studio…………………………………………..…68

РОЗДІЛ 4 РОЗРОБКА СТАРТАП ПРОЕКТУ «РОЗРОБЛЕННЯ СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДОМ СВЕРДЛОВИННОГО НАСОСУ»………………………………………………72













    1. Аналіз та місія стартапу …………………………………………………72

    2. Проблеми, які будуть вирішені…………………………………………73

    3. Тенденції у сфері електроприводу……………………………..………73

    4. Аналіз цільового ринку………………………………………………….74

    5. Економічність регулювання швидкості……………………………..…74

    6. Стратегічний потенціал стартапу………………………………….……74

    7. Смета витрат на стартап…………………………………………………74

    8. Оцінка ефективності впровадження стартап-проекту ………………..78

Висновки……………………………………………………………….…..79

ВИСНОВКИ………………………………………………………………………..80

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ………………………………………..81

ВСТУП

Зростання водоспоживання в промисловості та повсякденні вимагає підвищення інтенсивності використання існуючих і будівництва нових систем водопостачання. З економічної точки зору швидко і ефективно ця проблема вирішується за рахунок використання підземних джерел, вода яких найчастіше не вимагає очищення. При цьому виключається будівництво складних і дорогих очисних станцій, що займають великі площі, використання реагентів. Робота насосної станції є безперервною і забезпечує необхідні технологічні умови для роботи підприємства.

В даний час йде прагнення зробити технологічний процес найбільш автоматизованим, а також створювати обладнання найбільш функціональне і доступне для розуміння звичайному користувачеві. Електроприводи споживають більше 60% вироблюваної електроенергії, підвищення їх енергетичної ефективності суттєво досягається переходом від нерегульованого асинхронного електроприводу до регульованого, який сприяє поліпшенню якісних характеристик технологічних процесів, надає можливість автоматизації виробництва, підвищує рівень енергозбереження і ресурсозбереження.

З недавнього часу активно розробляються, удосконалюються і впроваджуються системи автоматизованого управління технологічними процесами, створеними на базі передового мікропроцесорного обладнання. У сучасності все більшого поширення набуває метод управлінням пуском двигунів за допомогою частотного перетворювача. Ще до недавна метод частотного регулювання електроприводу вважався дорогим та застосовувся лише при великому діапазоні регулювання швидкості, але зі здешевленням і вдосконаленням перетворювачів частоти дана система керування стає практично ідеальним технічним рішенням з точки зору управління роботою насоса як в період пуска/зупинки, так і в штатних режимах.

Модернізацією традиційних систем керування може стати перетворювач частоти з відкритою програмною платформою, що дозволяє користувачам допрацьовувати програмне забезпечення, оптимізувати його під свої завдання, у тому числі розробляти і додавати власні програмні модулі як рівня управління силовим інвертором, так і рівня програмно-логічного контролера для вирішення завдань локальної автоматизації.

РОЗДІЛ 1 АНАЛІЗ СИСТЕМ ВОДОПОСТАЧАННЯ ТА ТЕХНОЛОГІЧНА ЧАСТИНА

    1. Автоматизація технологічних процесів

Автоматизація дозволяє частково або повністю звільнити людину від виконання циклічних процесів, або процесів виконуються по строго заданому алгоритму. В даний час важко собі уявити виробництво, де все або частину процесів контролюються без відома людини, повідомляючи його тільки в разі несправності або передаварійному ситуації. Розвиток автоматика отримала завдяки промислово-технічного прогресу. Навіть автоматизація в побуті бере свій початок на промислових виробництвах, де прагнення до прискорення процесу і, відповідно, збільшення виручки сприяло впровадженню новітніх на той момент наукомістких засобів автоматизації. Так само автоматизовані виробництва дозволяли звільнити велику кількість робочих рук, оптимізуючи час і зайнятість персоналу. Якщо в кінці минулого століття автоматиці відводили роль виконавця рутинних циклічних операцій, то тепер, завдяки розвитку програмно-обчислювальних засобів, автоматизують цілі лінії виробництва, здатні працювати без участі людини. Так само автоматизація торкнулася і паливно-енергетичного комплексу, де максимальний ККД неможливий без злагодженої і безвідмовної роботи обладнання. З недавнього часу активно розробляються, удосконалюються і впроваджуються системи автоматизованого управління технологічними процесами, створеними на базі самого передового мікропроцесорного обладнання. Постійно вдосконалюються обчислювальні потужності систем, удосконалюються пристрої польового рівня, будь то датчики, перетворювачі. На відміну від локальних систем автоматики, автоматизована система управління має контроль над усіма вузлами обладнання, відповідно може більш точно запобігати розвитку аварійних ситуацій, які там дорого обходяться енергетичної галузі. Застосування найостанніших розробок в області мікропроцесорної техніки дозволяє об'єднувати системи автоматизації в АСУ ТП вищого рівня, крім збору та діагностики інформації, такі системи займаються груповим регулюванням роботи агрегатів та інших технологічних схем, злагоджена і безвідмовна робота яких підвищує енергоресурс. Промислові програмовані логічні контролери досягли колосальної продуктивності, що в комплексі з резервуванням робить їх роботу максимально безвідмовною і швидкодіючою.

Зараз науково-технічний прогрес так само не стоїть на місці. Випробовується і впроваджуються все нові системи автоматизації. Розвиток і здешевлення бази мікроелектронних компонентів дозволяє розробникам експериментувати і створювати все більш досконалі системи.

У багатьох галузях промисловості продуктивність технологічного обладнання в значній мірі визначається рівнем його автоматизації, основною ланкою якої є електропривод. Прогрес у багатьох галузях науки і техніки (машинобудування, мікроелектроніка, транспорт, космічна техніка, видобуток і переробка корисних копалин і т. д.) все більш підкреслює його найважливішу роль. Більшість людей рідко використовують поняття «електропривод», хоча стикаються з цим поняттям щодня: комфортний рух в електропоїзді, ліфті, автомобілі, використання численних побутових приладів (пилосос, міксер, кондиціонер, вентилятор, кухонний комбайн, пральна машина) і т. д.

Автоматизований електропривод найчастіше не розглядається як окремий пристрій, він є важливою ланкою ієрархічної структури автоматизації. Найбільш яскраво сутність автоматизованого електроприводу проявляється в електросталеплавильних установках і металорізальних верстатах з числовим програмним управлінням, робототехнічних комплексах і автоматичних лініях. розуміння пристрої і роботи електроприводу - це перш за все розуміння фізичних процесів, що відбуваються в ньому, вміння зіставити сучасні технічні рішення в області мікро- і силової електроніки, а також сучасного програмного забезпечення. Це необхідно всім, чия діяльність безпосередньо пов'язана з проектуванням, виготовленням і експлуатацією установок, в яких використовується автоматизований електропривод і системи управління ним.

В даний час на зміну регульованому електроприводу постійного струму прийшов регульований електропривод змінного струму, перш за все на базі асинхронних короткозамкнених двигунів. Асинхронні двигуни є найпоширенішими електричними машинами, але до недавнього часу вони застосовувалися в основному в нерегульованих електроприводах для обертання механізмів, що працюють з постійною швидкістю: вентиляторів, насосів, компресорів, конвеєрів.

В останні роки в зв'язку з появою нових поколінь транзисторів і тиристорів, а також щодо недорогих мікропроцесорів високої швидкодії випуск і експлуатація автоматизованих електроприводів змінного струму на базі асинхронних електродвигунів стали економічно доцільними. Це пояснюється також і тим, що технологія виробництва асинхронних двигунів в даний час практично повністю автоматизована.

Останнім часом частотно-регульований електропривод змінного струму став головним типом регульованого електроприводу, серійно випускається провідними вітчизняними та зарубіжними електротехнічними компаніями. Економічність роботи електропривода у будь-якому режимі характеризується ККД – відношення виконаної механічної роботи до кількості спожитої за цей час електроенергії:

[1]

де ηц – цикловий ККД електропривода; Tц – тривалість робочого циклу, год; Амех , Аел – корисна механічна робота і спожита з мережі електрична енергія, Дж; Мм – момент на валу робочої машини, Н·м; ω – кутова швидкість приводного вала робочої машини, с-1 ; Р – потужність, споживана електроприводом з мережі, Вт.

Зупинимося детальніше на регульованому електроприводі як засоби енергозбереження.

Електропривод користуються практично у всіх технологіях, пов’язаних з рухом і механічною роботою, за винятком автономних транспортних засобів (автомобілів, літаків, деяких видів судів), в яких використовуються неелектричні двигуни. Серед незліченної безлічі агрегатів, обладнаних електроприводом, виділимо основних споживачів електроенергії – це насоси, що забезпечують водопостачання міст, селищ, будівель, які перекачують інші рідкі середовища, і вентилятори, що використовуються в системах вентиляції виробничих та інших приміщень, тунелів, шахт, на котлах теплових станцій, в системах повітряного опалення шкіл, лікарень, громадських будівель, великих магазинів та ін. На рисунку 1.1. приведена частка споживання енергії цими агрегатами за даними ЄС в промисловості і комерційному секторі. Дуже важливо, що саме насоси і вентилятори – основні споживачі електроенергії – до теперішнього часу в усьому світі обладнані найпростішим електроприводом і володіють величезним ресурсом енерго- і ресурсозбереження.

Перехід від нерегульованого електроприводу до регульованого є одним з основних шляхів енергозбереження в електроприводі і в технологічній сфері засобами електроприводу.



Рисунок 1.1 Частка споживання енергії

Як правило, необхідність регулювання швидкості або моменту електроприводів виробничих механізмів диктується вимогами технологічного процесу. Наприклад, швидкість подачі різця визначає чистоту обробки деталі на токарному верстаті, зниження швидкості ліфта слід для точного позиціонування кабіни перед зупинкою, необхідність регулювання моменту на валу намотує диктується умовами підтримання сталості зусилля натягу намотуваного матеріалу і т.д.

  1   2   3   4   5   6   7   8   9

скачати

© Усі права захищені
написати до нас