Способ определения расхода жидкости центробежного насоса с асинхронным электроприводом

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при учете и контроле потребления воды и других текучих сред. Измеряют мгновенные величины токов и напряжений статора асинхронного двигателя, преобразуют трехфазные значения токов и напряжений в двухфазные составляющие токов и напряжений, определяют оцененные составляющие тока статора, вычисляют разницу между оцененными значениями составляющих тока статора и текущими значениями составляющих стока статора, определяют оцененные значения составляющих потокосцеплений ротора, по оцененным значениям составляющих тока статора и потокосцепления ротора определяют электромагнитный момент асинхронного двигателя, с помощью оцененных значений составляющих потокосцепления ротора и разниц между оцененными значениями составляющих тока статора и текущими значениями составляющих стока статора определяют момент нагрузки центробежного насоса, с помощью значений электромагнитного момента асинхронного двигателя и момента нагрузки центробежного насоса определяют текущую угловую скорость вращения рабочего колеса центробежного насоса. Определяют гидравлическую мощность насоса. По значениям гидравлической мощности и скорости вращения ротора определяют действительный расход насосной установки. Технический результат заключается в повышении точности определения расхода жидкости центробежных насосов с асинхронными двигателями.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при учете и контроле потребления воды и других текучих сред.

Известен способ определения расхода тепла в тепловой сети, содержащей центробежные электронасосы (патент RU 2022235, МПК G01F 9/00, опубл. 30.10.1994). Сущность изобретения: для повышения точности и упрощения измерения расхода тепла измеряют одновременно активную мощность, потребляемую электродвигателем привода насоса, давление на нагнетании и всасе насоса, температуру теплоносителя на подающем и обратном трубопроводах тепловой сети, вычисляют мощность, действующую на валу насоса, и давление на нагнетании, развиваемое собственно насосом, определяют расчетный коэффициент подачи путем давления на мощность и вычитания результата из постоянного числа, равного отношению давления к мощности при нулевой подаче, строят характеристику, отражающую зависимость расчетного коэффициента от подачи, и по ней определяют производительность насоса и умножают на разность температур в подающем и обратном трубопроводах тепловой сети.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения количества текучей среды (патент RU 2108549, МПК G01F 15/07, опубл. 10.04.1998), где измеряют количество электроэнергии А, потребленное электродвигателем привода насоса, имеющего линейную характеристику зависимости потребляемой мощности от подачи N=f(Q), за время Т. Количество V перекачанной воды определяют из математического выражения V=K₁A_н - К_2Т, где А_н=η⋅A, K₁=(Q₂-Q₁)/N₂-N₁; K₂=(Q₂-Q₁)/(N₂-N₁)-Q₁; Q₁, N_b Q₂, N₂ - координаты двух точек, взятых на границах зоны работы насоса, на его линейной характеристике, η - КПД электродвигателя.

Недостатками известных способов является невысокая точность определения расхода при изменении скорости вращения ротора асинхронного двигателя, а также необходимость определения КПД электродвигателя и использование линейной характеристики зависимости потребляемой мощности от подачи, что в свою очередь ограничивает применение известных способов.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения расхода жидкости центробежных насосов с асинхронными двигателями.

Данный технический результат достигается тем, что измеряют мгновенные величины токов и напряжений статора асинхронного двигателя, преобразуют трехфазные значения токов и напряжений в двухфазные составляющие токов и напряжений, определяют оцененные составляющие тока статора, вычисляют разницу между оцененными значениями составляющих тока статора и текущими значениями составляющих стока статора, определяют оцененные значения составляющих потокосцеплений ротора, по оцененным значениям составляющих тока статора и потокосцепления ротора определяют электромагнитный момент асинхронного двигателя, с помощью оцененных значений составляющих потокосцепления ротора и разниц между оцененными значениями составляющих тока статора и текущими значениями составляющих стока статора определяют момент нагрузки центробежного насоса, с помощью значений электромагнитного момента асинхронного двигателя и момента нагрузки центробежного насоса определяют текущую угловую скорость вращения рабочего колеса центробежного насоса, определяют гидравлическую мощность насоса, по значениям гидравлической мощности и скорости вращения ротора определяют действительный расход насосной установки.

Сущность технического решения поясняется формулами (1-10).

Двухфазные значения токов и напряжений определяются по формулам преобразования [Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. заведений. - 2-е изд., испр. - М.: Издательский центр «Академия», 2007 г. - 272 с.] (1-2):

где, u^[i]_А(B,C) - фазные значения напряжения статора асинхронного двигателя, В;

i^[i]_А(B,C) - фазные значения токов статора асинхронного двигателя;

u^['^]_Sα(β) - составляющая напряжения статора асинхронного двигателя (измеренное значение), В;

i^[i]_Sα(β) - составляющая тока статора асинхронного двигателя (измеренное значение), А.

Оцениваемые значения тока статора определяются через математическое описание асинхронного двигателя в неподвижной системе координат для статорной обмотки, при этом уравнение по второму закону Кирхгоффа дополняется усиленной разницей (невязкой) между измеренными (i^[i]_Sα(β)) и оцененными значениями токами статора:

Оцениваемые значения тока статора асинхронного двигателя одной составляющей определяются по формуле (3) в операторном виде (р - оператор дифференцирования) на каждом i-м шаге:

где u^[i]_Sα(β) - составляющая напряжения статора асинхронного двигателя (измеренное значение), В;

i^[i]_Sα(β) - составляющая тока статора асинхронного двигателя (измеренное значение), А;

- составляющая потокосцепления ротора асинхронного двигателя (оцененное значение), Вб;

k_LIs - коэффициент усиления невязок тока, Ом;

k_R - безразмерный параметр асинхронного двигателя, о.е.;

R_S - сопротивление статора асинхронного двигателя, Ом;

T_S - постоянная времени статора асинхронного двигателя, с.

Оцениваемые значения невязок (разниц между реальным и оцененным значением) тока статора одной составляющей определяются по формуле (4):

где, i^[i]_Sα(β) - составляющая тока статора асинхронного двигателя (измеренное значение), А;

- оцениваемое значение тока статора асинхронного двигателя, А.

Оцениваемые значения потокосцепления ротора одной составляющей определяются через математическое описание асинхронного двигателя в неподвижной системе координат по формуле в операторном виде (5):

где р - оператор дифференцирования, с^-1,

- угловая скорость ротора (оцененное значение), рад/с,

- составляющая тока статора асинхронного двигателя (оцененное значение), А;

- составляющая потокосцепления ротора асинхронного двигателя (оцененное значение), Вб;

р_р - число пар полюсов асинхронного двигателя;

R_R - сопротивление ротора асинхронного двигателя, Ом;

T_R - постоянная времени ротора асинхронного двигателя, с.

Оцениваемые значения электромагнитного момента определяются через математическое описание асинхронного двигателя в неподвижной системе координат по формуле (6):

где , - составляющие потокосцепления ротора асинхронного двигателя (оцененные значения), Вб;

, - составляющие тока статора асинхронного двигателя (оцененные значения), А;

k_R - безразмерный параметр асинхронного двигателя, о.е.;

р_р - число пар полюсов.

Оцениваемые значения момента нагрузки насоса определяются по формуле (7) через потокосцепления ротора двигателя и «невязки» проекций токов статора:

где K_Tmp - коэффициент усиления момента, о.е.,

k_R - безразмерный параметр асинхронного двигателя, о.е.;

, - составляющие потокосцепления ротора асинхронного двигателя (оцененные значения), Вб;

, - составляющие невязок тока статора асинхронного двигателя (оцененные значения), А.

Оцениваемые значения угловой скорости ротора определяются по формуле (8) в операторном виде:

где р - оператор дифференцирования, с^-1;

J - момент инерции механизма, кг⋅м²;

- электромагнитный момент асинхронного двигателя, Нм;

- момент нагрузки насоса, Нм.

Гидравлическая мощность насоса определяется по формуле (9) как произведение скорости вращения вала насоса на момент сопротивления насоса:

где Т₀ - момент трения, Н^⋅м;

- угловая скорость ротора асинхронного двигателя (оцененное значение), рад/с;

- момент нагрузки насоса, Нм.

Одновременно гидравлическая мощность насоса определяется как произведение давления нагнетаемого насосом Р_СР и подачей насоса .

Давление насоса Р_СР определяется через параметры напорной характеристики насоса, плотность жидкости (ρ_r) и угловую скорость вала насоса , и относительный расход насоса (q^[i]_r):

Расход жидкости насоса определяется по формуле (10)

где ρ_r - плотность жидкости, кг/м³;

ω_пот - номинальная угловая скорость насоса, рад/с;

С₀, C₁ - параметры напорной характеристики насоса;

- гидравлическая мощность насоса, Вт;

- относительный расход насоса, м³/с;

- угловая скорость ротора асинхронного двигателя (угловую скорость вала насоса), рад/с.

В проведенных экспериментах на насосе К8-18 с асинхронным двигателем АД80М2 погрешность определения расхода уменьшилась на 4-5%.

Таким образом, заявленный способ позволяет повысить точность определения расхода жидкости центробежного насоса с асинхронным электроприводом.

Способ определения количества текучей среды, перекачиваемой насосом, отличающийся тем, что проводят измерение мгновенных величин токов и напряжений статора асинхронного двигателя, преобразование трехфазных значений токов и напряжений в двухфазные составляющие токов и напряжений, определение оцененных составляющих тока статора, вычисление разницы между оцененными значениями составляющих тока статора и текущими значениями составляющих тока статора, вычисление оцененных значений составляющих потокосцеплений ротора, вычисление электромагнитного момента асинхронного двигателя по оцененным значениям составляющих тока статора и потокосцепления ротора, вычисление момента нагрузки центробежного насоса с помощью оцененных значений составляющих потокосцепления ротора и разниц между оцененными значениями составляющих тока статора и текущими значениями составляющих стока статора, вычисление текущей угловой скорости вращения рабочего колеса центробежного насоса с помощью значений электромагнитного момента асинхронного двигателя и момента нагрузки центробежного насоса, вычисление гидравлической мощности насоса, вычисление действительного расхода насосной установки, по значениям гидравлической мощности и скорости вращения ротора определяют действительный расход насосной установки.