BADANIA SYMULACYJNE ZESPOŁU NAPDOWEGO POMP WODOCIGOWYCH PRZY DOŁCZANIU DODATKOWEGO SILNIKA

Transkrypt

1 Jacek Batman **, Anna Kozioowska *, Tadesz Kwate ** * Politechnika Rzeszowska, Rzeszów ** Uniwesytet Rzeszowski, Rzeszów BADANIA SYMULACYJNE ZESPOŁU NAPDOWEGO POMP WODOCIGOWYCH PRZY DOŁCZANIU DODATKOWEGO SILNIKA COMPUTER SIMULATIONS OF PUMPS DRIVE SYSTEM DURING ADDITIONAL IDUCTION MOTOR CONNECTING Abstact: The poblem of sitable wate pmp dive system selection step fowad in many wate pmp stations. It shold be a compomise among the pice of dive and the best technical paametes. The most imotant technical paamete fo wate eceive is pesse. It shold be constant. The pape pesents eslts of compte simlations of pmp dive system ding adding the second indction moto spply fom powe netwok. Thee is shown the matemathical model of PWM invete, indction moto and the chaacteistic of pmp. The pmp dive system consists of two indction motos one spply fom PWM invete, the second fom powe netwok. The second indction moto is connected when demand fo wate is highe than delivey of a pmp fed by the contoled moto.. Wstp Poblem dobo odpowiedniego kład napdowego wystpje w wiel bdowanych i modenizowanych stacjach wodocigowych. Msi on by kompomisem pomidzy cen napd, a najlepszymi paametami pacy kład. Zapewnienie zaówno dobej pacy system popzez pawidłowe dobanie paametów technicznych, tysfakcjonjce ytkownika i moliwe do zyskania w danym kładzie, jak i moliwie najniszej ceny daje najlepsze efekty. Najwaniejszym z pnkt widzenia odbiocy paametem jest cinienie tłoczenia wody w wodocig - najlepiej gdyby było stałe i takie Rys.. Schemat ideowy kład napdowego pomp zadanie stawia si pzed kładem napdowym pomp. Ze wzgldów technicznych dopszczalne s jednak pewne niewielkie jego wahania. Zmiany cinienia wywoływane s popzez zmian pzepływ, co z kolei wynika ze zmiennego zapotzebowania na wod. Wahania zapotzebowania mog by na tyle de, e celowe jest zastosowanie kilk silników napdzajcych pompy i w mia potzeby odpowiednie ich dołczanie bd odłczanie. Zastosowanie w kładach napdowych zasilajcych pompy silników indkcyjnych klatkowych jest zadnione chaakteem obcienia. W pacy pzedstawiono modele poszczególnych elementów wodocig (ys. ) oaz wyniki bada symlacyjnych zamknitego kład eglacji zespoł pompowego pzy zwikszajcym si zapotzebowani na wod, powodjcym konieczno dołczenia dodatkowej pompy. W badaniach skoncentowano si na

2 pzedstawieni zmian pdów, moment oaz pdkoci obotowej silników napdzajcych pompy. 2. Topologia kład Jednym ze sposobów moliwiajcych dokonanie analizy pacy wodocig jest opacowanie model matematycznego zespoł pompowego i pzepowadzenie bada symlacyjnych dla wybanych stanów pacy kład. W model matematycznym wzgldni naley wszystkie elementy wchodzce w skład wodocig: zespoły silnik-pompa, eglato, falownik, ocig. Kady z tych elementów opiny jest za pomoc odpowiednich ówna lb chaakteystyk. 2. Model matematyczny falownika Model matematyczny falownika składa si z obwod zasilajcego, tójfazowego postownika diodowego, obwod poedniczcego napicia stałego (filt dolnopzepstowy LC typ Γ) oaz zbdowanego z tanzystoów IGBT tójfazowego falownika napicia [], []. W model pzyjte zostały nastpjce załoenia paszczajce: załczenie tanzystoa nastpje natychmiast, tanzysto zastpiony jest pzez łcznik o ezystancji w stanie załczenia odpowiadajcej ezystancji pzewodzcego tanzystoa, wyłczony tanzysto nie pzewodzi pd, Wato ednia napicia wypostowanego U d wytwazanego pzez postownik zaley głównie od watoci sktecznej napicia midzyfazowego U ac po stonie sieci zasilajcej. Dla nieobcionego tójfazowego diodowego postownika mostkowego z wyjciem pojemnociowym wato edni napicia mona pzedstawi zalenoci: U d = 2U ac (2.) Równania napi midzyfazowych odbionika wyaone za pomoc fnkcji pzełczajcych pzybieaj wówczas posta: AB BC CA s A = U d sb (2.2) s C a ównania napi fazowych: A B C = U 2 s A d 2 sb (2.) 2 s C Pzedstawione fnkcje pzełczajce zostały wykozystane do steowania łczników tanzystoowych w model symlacyjnym pzekształtnika PWM. 2.2 Model matematyczny silnika Podstawowe ównania silnika moemy zapi nastpjco [2]: di dt = A( i)( Ri + ΩΨ) K (2.4) poszczególne elementy ównania mona opi zalenociami: ( + α ) K = α + α s + α m (2.5) α s α m αα s ( ) αs α + αm αα s A = (2.6) αα s α ( αs + αm ) αα ( + ) s α αs αm R = [ ] T = (2.7) ( 2 + ) ( ) ( ) ( 2 + ) sc sc sc [ i i i i ] T a b (2.8) i = (2.9) ω Ω= ω 2ω 2ω (2.)

3 i + i αm Ψ = i + i αm a b ia + α i b + α (2.) Równanie ch moemy zapi: dω p ( T T ( ω) ) dt = e J (2.2) ( i i i i ) p a b Te = (2.) τ gdzie: T(ω) moment mechaniczny; p liczba pa biegnów; J moment bezwładoci; i, i, i a, i b watoci pdów stojana i winika; T e moment elektomagetyczy;,, sc watoci ezystanncji faz stojana; wato ezystancji winika; α m odwotno indkcyjnoci magnesjcej; α s odwotno indkcyjnoci stojana; α odwotno indkcyjnoci winika; Napicia zasilajce maj watoci: = U m sin(ωt + ϕ), = U m sin(ωt + ϕ + 2 o ) 2. Chaakteystyka pompy Pompa jest maszyn hydaliczn bien, poniewa otzymje od silnika napdowego enegi mechaniczn i pzenosi j na ciecz pzez ni pzepływajc za poednictwem winika []. Mona te powiedzie, e działanie pompy polega na wytwazani ónicy cinie pomidzy ston swn (wlotem do pompy), a tłoczn (wylotem z pompy). Chaakteystyk pompy pokazano na ys.2. Wykes obazje zbió kzywych dla okelonych pdkoci obotowych zespoł silnik-pompa. Podczas pacy popzez zmian pdkoci obotowej pompa pzechodzi na kolejne kzywe dzieki czem tzymje si załoone cinienie tłoczenia pompy w pzyjtych ganicach. Do obcienia kład falownik silnik pompa pzyjty został poszczony model ocig. Pominite zostały zjawiska ozchodzenia si cieczy w ocig oaz zjawisko kawitacji. Rys.2 Fagment chaakteystyki pompy.. Wyniki bada symlacyjnych Badania symlacyjne pzepowadzono w inynieyjnym odowisk modelowania Matlab [2]. Pakiet Matlab moliwia zasymlowanie pacy całego złoonego kład, dysponjc specjalnymi fnkcjami pzeznaczonymi do tego typ zada. Pogam ten pozwala na odtwozenie pacy zeczywistego kład napdowego i pzepowadzenie bada dynamicznych stanów pacy zespoł pompowego. W badanym pzypadk pacy kład pompowego dołczano silnik zasilany z sieci pzy zapotzebowani na wod pzekaczajcym moliwoci jednej pompy (napdzanej silnikiem eglownym). Dołczenie dodatkowego silnika napdowego spowodowało zmniejszenie pdkoci obotowej silnika eglowanego. Pocigało to za sob zmiany pzepływ, moment obcienia oaz czstotliwoci napicia zasilajcego ten silnik. Na ys. pokazano zmiany pzepływ wody podczas pacy w opinym kładzie pompowym Rys. Wyniki bada symlacyjnych zmian pzepływ wody w kładzie pompowym, Q pzepływ całkowity, Q pzepływ pompy napdzanej silnikiem eglowanym, Q2 pzepływ pompy bez eglacji Q Q2 Q

4 . Badania pzebiegów pdów Dołczanie dgiego zespoł pompowego powodje stan niestalony w pzebieg pd piewszego silnika, co pzedstawione jest na ys. 4. Wato amplitdy pojedynczych pzet- e pd w piewszej fazie zmian kilkakotnie pzewyszaj watoci amplitd pd w stanie stalonym Rys. 4 Wyniki bada symlacyjnych pzebieg watoci chwilowej pd zasilajcego silnik steowany popzez falownik PWM pzy dołczani silnika zasilanego z sieci Nieeglowany silnik zasilajcy pomp sza bez obcienia dziki tem szybciej zyskje pdko znamionow. Wato amplitdy pd zasilajcego dołczany silnik stala si po stosnkowo kótkim czasie. Stany dynamiczne w silnik eglowanym twaj dłej. Dołczanie dgiego zespoł pompowego powodje chwilowy spadek moment obcienia silnika z eglowan pdkoci obotow. Jest to wynikiem pzejcia obcienia pzez silnik nieeglowany oaz innych pocesów dynamicznych zachodzcych w kładzie silnik eglowany pompa. Po staleni si paametów pacy kład wato moment obcienia silnika eglowanego nieznacznie wzosła w poównani z sytacj spzed zmian Rys. 6 Wyniki bada symlacyjnych pzebieg moment silnika z eglowan pdkoci (kolo czany) oaz dodatkowego zasilanego z sieci pzy dołczeni silnika. Badania zmian pdkoci obotowej Silnik dołczany szybko zyskje pdko znamionow jest to efektem tego, i poces jego ozch odbywa si bez obcienia. Obcienie silnika jest zwikszane stopniowo waz ze wzostem pdkoci obotowej Rys. 5 Wyniki bada symlacyjnych pzebieg watoci chwilowej pd zasilajcego dodatkowy silnik zespoł pompowego.2 Badania zmian moment Rys. 7 Wyniki bada symlacyjnych pzebieg pdkoci silnika steowanego popzez falownik PWM oaz silnika dodatkowego zasilanego z sieci Pdko silnika eglowanego stabilizje si znacznie wolniej, co jest zwizane z bezwładnoci tłoczonej wody. Nowa pdko jest mniejsza gdy kład silnik eglowany pompa po załczeni silnika dodatkowego msi dostaczy mniejsze iloci wody (wymsza mniejszy pzepływ)

5 .4 Zmiany cinienia tłoczenia Głównym zadaniem kład eglacji stejcego falownikiem zasilajcym silnik eglowany było tzymanie cinienia tłoczenia w załoonym pzedziale. Na ys. 8. pokazano wyniki bada symlacyjnych obazjcych zmiany cinienie tłocznia podczas wzost zapotzebowania na wod, wymszajcego konieczno dołczania dgiego silnika Rys. 8 Wyniki bada symlacyjnych pzebieg cinienia podczas dołczenia dodatkowego silnika zasilajcego kład pompowy Analiza pzebieg pozwala zaway, i w kładzie wodocigowym dało si tzyma cinienie na paktycznie stałym poziomie (z badzo niewielk załoon toleancj). 4. Wnioski Pzedstawione powyej wyniki bada symlacyjnych dotycz pzypadk dołczania dodatkowego silnika napdowego zasilanego z sieci. Dołczenie silnika wymszone jest wzostem zapotzebowania na wod (wzostem pzepływ Q) powyej wydajnoci silnika eglowanego. Zastosowany eglato popzez odpowiednie wysteowanie falownika zasilajcego silnik eglowany pozwala na tzymanie cinienia tłoczenia w załoonych ganicach (ys.8.). Sktkiem zastosowania eglacji pdkoci obotowej za pomoc pzemiennika czstotliwoci jest zmniejszenie koszt zywanej enegii elektycznej, w stosnk do wczeniej stosowanych kładów (np. popzez dławienie). Optymalizacja kosztów ozwizania kład napdowego pomp polega na wykozystani sekwencyjnego załczania pomp połczonych ównolegle i cigłej eglacji pzy pomocy jednego pzemiennika czstotliwoci. Dziki tem moliwa jest eglacja pdkoci jednego silnika napdzajcego pomp oaz załczanie i wyłczanie kolejnych silników napdzajcych pompy. Rezltatem tego jest elastyczne dostosowywanie si kład do wolnozmiennego zapotzebowania na wod. Na podstawie pzepowadzonych bada symlacyjnych mona zaway i: dołczenie dodatkowego silnika powodje kótkotwały stan niestalony kład zwizany z pzejmowaniem czci pzepływ pzez pomp nieeglowan; silnik z eglowan pdkoci obotow niezalenie od obcienia pacje pzy paktycznie stałym momencie (zmiany watoci moment dla pacy stalonej były zd kilk pocent); pzedział zmian watoci cinienia tłoczenia wody jest zdeteminowany pzez chaakteystyk pompy. Zawenie pzedział implikje konieczno badzo płynnego eglowania pdkoci silnika steowanego popzez falownik PWM; chaakte i wielko zmian zapotzebowania na wod (pzepływ Q) maj wpływ na stabilno pacy kład. Paca systemów wodocigowych z eglacj pdkoci obotowej pompy stabilizjcej cinienie pozwala na zyskanie efektywnoci pacy zadawalajcej zakłady zajmjce si dostaczaniem wody (minimalizacja kosztów) oaz ytkowników (niewielkie zmiany cinienia tłoczonej wody). 5. Liteata []. Balik R., Nowak M.: Technika tyystoowa, WNT, Waszawa 994 [2]. Czaban W.: Modelowanie matematyczne pocesów elektomechanicznych, Lwów 997 (po kaisk) []. Danfoss Reglacja pomp i wentylatoów Waszawa 998 [4]. Jackowski K., Jankowski Z., Jdal W. Układy pompowe Wydawnictwa Politechniki Waszawskiej 992 [5]. Kaczoek T. Teoia kładów eglacji atomatycznej WNT Waszawa 977 [6]. Kaczoek T., Dzieliski A., Dbowski W., Łopatka R. - Podstawy teoii steowania - Helion Waszawa 25 [7]. Kamiekowski M., Tnia H.: Atomatic contol of convete-fed dives. ELSEVIER- PWN, Waszawa 994. [8]. Kozioowska A. Wate pmps dive system at vay lead 4-th Intenational Confeence of PhD Stdents, Hngay Agst 2, pp [9]. Kozioowska A., Batman J., Kwate T. Badania symlacyjne kład wodocigowego ze steo-

6 wanym silnikiem indkcyjnym 9-th Intenational Modelling School of AMSE UAPL, Cimea 24, pp. 9 4 []. Sobczyski D. Wysokoobotowy kład napdowy z silnikiem indkcyjnym zasilanym z falownika ozpawa doktoska, Rzeszów 24 []. Tnia H., Balik R. Teoia pzekształtników Oficyna Wydawnicza Politechniki Waszawskiej, Waszawa 2 [2]. Matlab, Refeence Gide, The Math Woks Inc., Natic MA, 992 POLITECHNIKA RZESZOWSKA, Wydz. Elektotechniki i Infomatyki l. Pola 2, Rzeszów UNIWERSYTET RZESZOWSKI, Instytt Techniki l. Rejtana 6a, 5-5 Rzeszów