Математична модель насосної установки в умовах обмеження вихідних даних

Abstract

У роботі розглянуто особливості побудови структурних схем електромеханічних систем автоматизації турбомеханізмів. Математичний опис таких установок здійснюється на основі нелінійних диференційних рівнянь, що вимагає ідентифікації значної кількості вихідних параметрів об’єкта дослідження. Запропоновано структурну схему на основі прямої пропорційності між напором насоса та моментом опору на валу привідного двигуна та нелінійної залежності напору установки від швидкості обертання робочого колеса без використання інформації про гідравлічний опір мережі та продуктивність установки. Для дослідження застосовано систему автоматичного керування, яка передбачає підтримання сталого напору у разі зміни продуктивності установки. Збільшення втрат напору, що відповідає ймовірному зростанню продуктивності, відбувалося синхронно зі зміною навантаження на валу двигуна. При цьому. частотний перетворювач забезпечував збільшення швидкості асинхронного двигуна відповідно до алгоритму стабілізації напору. Положення робочої точки під час моделювання визначалося за відомими значеннями швидкості робочого колеса насоса та напору установки, що дозволило провести оцінку енергетичних показників у всьому діапазоні витрат води споживачами за допомогою спеціалізованого прикладного середовища WinCAPS. Було визначено споживану потужність насоса, коефіцієнт корисної дії, струм електродвигуна у всьому діапазоні витрат та напору установки. Аналіз енергетичних показників здійснювався на фіксованих проміжках часу з врахуванням значної інерційності процесів e системах водопостачання. Дослідження підтвердили висунуте припущення про лінійну залежність електромагнітного моменту електродвигуна та втрат напору в насосі. Застосування особливостей механічної характеристики асинхронного електродвигуна та напірної характеристики насоса дозволяє вирішити завдання визначення втрат енергії в електромеханічній системі.

The publication deals with the peculiarities of construction of structural schemes of pumps and fans. A mathematical description of such installations is performed using nonlinear differential equations. There is also a need to identify a large number of parameters of the research object. The proposed structural scheme takes into account the linear relationship between pump pressure and motor torque. Information about hydraulic resistance and plant performance is not used. The position of the working point was determined by the known speed of the wheel and pressure. The automatic control system involves maintaining a steady pressure while increasing installation performance. The increase in head loss occurs synchronously with the increase in engine load. The frequency converter increased the speed of the engine by the algorithm of stabilization of the pressure. The estimation of energy indices in the whole range of water consumption is carried out with the help of a specialized program WinCAPS. This allowed determining the power consumption of the pump, the efficiency, the current of the engine over the entire range of water consumption. The analysis of energy indices was carried out at fixed intervals of time. The research takes into account the inertia of processes in water supply systems. The studies confirmed the assumption of linear dependence of engine torque and head loss in the pump. Application of features of the mechanical characteristics of the asynchronous electric motor and the characteristics of the pump pressure can solve the problem of determining energy losses.

В работе рассмотрены особенности построения структурных схем электромеханических систем автоматизации турбомеханизмов. Математическое описание таких установок осуществляется на основе нелинейных дифференциальных уравнений, что требует идентификации значительного количества выходных параметров объекта исследования. Предложена структурная схема на основе прямой пропорциональности между напором насоса и моментом сопротивления на валу приводного двигателя и нелинейной зависимости напора установки от скорости вращения рабочего колеса без использования информации о гидравлическое сопротивление сети и производительности установки. Для исследования применена система автоматического управления, которая предусматривает поддержание устойчивого напора в случае изменения производительности установки. Увеличение потерь напора, соответствующее предполагаемому росту производительности, происходило синхронно с изменением нагрузки на валу двигателя. При этом частотный преобразователь обеспечивал увеличение скорости асинхронного двигателя в соответствии с алгоритмом стабилизации напора. Положение рабочей точки при моделировании определялось по известным значениям скорости рабочего колеса насоса и напора установки, что позволило провести оценку энергетических показателей во всем диапазоне расхода воды потребителями с помощью специализированной прикладного среды WinCAPS. Это позволило определить потребляемую мощность насоса, значение КПД, тока электродвигателя на всем диапазоне расхода и напора установки. Анализ энергетических показателей осуществлялся на фиксированных промежутках времени с учетом значительной инерционности процессов в системах водоснабжения. Исследования подтвердили выдвинутое предположение о линейной зависимости электромагнитного момента электродвигателя и потерь напора в насосе. Применение особенностей механической характеристики асинхронного электродвигателя и напорной характеристики насоса позволяет решить задачу определения потерь энергии в электромеханической системе.