Способ определения давления центробежного насоса с асинхронным электроприводом Российский патент 2023 года по МПК F04D15/00 

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

Известен способ определения давления центробежного насоса с асинхронным электроприводом (патент SU 1783869 от 29.11.1990), Измеряют давление на подающем трубопроводе, мгновенные величины токов и напряжений статора асинхронного двигателя, преобразуют трехфазные значения токов и напряжений в двухфазные составляющие токов и напряжений, определяют модуль вектора напряжения статора, определяют модуль вектора тока статора. Давление на всасывающем трубопроводе, мгновенные двухфазные величины токов и напряжений статора асинхронного электродвигателя, модуль вектора напряжения статора, модуль вектора тока статора подают на вход искусственной нейронной сети, с помощью искусственной нейронной сети, предварительно обученной по опытным данным работы центробежного насоса с асинхронным электроприводом при различных входных воздействиях как со стороны частоты и амплитуды питающего напряжения, так и со стороны гидравлического сопротивления сети и входного давления, используя выявленные искусственной нейронной сетью при обучении зависимости между входными и выходными данными определяют промежуточные значения по формуле давления жидкости, фильтруют данные, тем самым определяя мгновенную величину давления жидкости центробежного насоса с асинхронным электроприводом.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения давления центробежного насоса с асинхронным электроприводом (патент RU 2623195 от 22.06.2017), при реализации которого измеряют давление на подающем трубопроводе, 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. Затем вычисляют разницу между оцененными значениями составляющих тока статора и текущими значениями составляющих тока 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 разницы между оцененными значениями составляющих тока статора и текущими значениями составляющих тока 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. По значениям действительного расхода насосной установки и давлению на подающем трубопроводе определяют развиваемое насосной установкой давление.

Недостатками известных способов является точность определения давления в установившихся и переходных процессах, в условиях шума сигналов тока и напряжения асинхронного двигателя.

Задачей изобретения является повышение точности определения мгновенного давления жидкости центробежного насоса с асинхронным электроприводом в условиях шумов входных сигналов.

Сущность технического решения поясняется формулами (1-10).

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения давления жидкости насосной установки с центробежными насосами и асинхронными двигателями.

Технический результат достигается тем, что измеряют мгновенные величины токов (,,) и напряжений (,,) статора асинхронного двигателя, вычисляют двухфазные составляющие тока статора (,) и напряжения (,):

(1)

(2).

Для определения переменных состояния асинхронного двигателя используют Фильтр Калмана (Бреммер К., Зиферлинг Г. Фильтр Калмана–Бьюси. – М.: Наука, 1982. – 199 с.). Входными воздействиями для фильтра Калмана на i-м шаге являются:

– вектор преобразованных величин тока:

;

– вектор преобразованных величин напряжения:

.

Выходными значениями фильтра Калмана является вектор ,

Где – потокосцепление ротора;

– угловая скорость вращения ротора двигателя.

Определяют матрицу ковариаций ошибки на i-м шаге (3):

(3)

где – шаг итерации;

– матрица коэффициентов уравнений состояния асинхронного двигателя ;

– единичная матрица;

– вектор выхода;

;

– матрица ковариации случайных воздействий вида:

.

, , – величины, определяющие случайный нормальный процесс с нулевым математическим ожиданием.

Коэффициенты матрицы определяются через параметры асинхронного двигателя

где – индуктивность ветви намагничивания, Гн;

, – индуктивность статора и ротора, Гн;

, – сопротивление статора и ротора, Ом;

– совместный момент инерции центробежного насоса и асинхронного двигателя, кг/м²;

– число пар полюсов асинхронного двигателя.

Определяют матричный коэффициент усиления фильтра Калмана на i-м шаге (4):

(4)

– матрица ожидаемой дисперсии ошибки измерений;

;

– ожидаемая дисперсия ошибки измерений.

Определяют вектор выходных величин по форме (5):

(5)

– матрица управления:

;

Определяют угловую скорость вращения ротора двигателя :

.

Определяют электромагнитный момент асинхронного двигателя по формуле (6):

(6)

На интервале усреднения , определяют гидравлическую мощность центробежного насоса (7):

(7)

где – оператор дифференцирования, с^–1,

– момент сопротивления насоса при нулевом расходе.

Определяют мгновенную величину расхода жидкости центробежного насоса, по формуле (8):

(8).

где – оператор дифференцирования, с^–1,

– плотность жидкости,

, – коэффициенты напорной характеристики насоса.

(9)

Давление жидкости насосной установки определяется как сумма давления развиваемого насосом и давления в питающем трубопроводе (10):

(10)

где – давление на выходе насосной установки

– давление, развиваемое насосом

– давление в питающем трубопроводе.

В проведенных экспериментах на насосе К8-18 с асинхронным двигателем АД80М2 погрешность определения давления в установившемся режиме не превышает 3%.

Таким образом, заявленный способ позволяет повысить точность определения давления жидкости центробежного насоса с асинхронным электроприводом в условиях шума входных сигналов.

Сущность изобретения: для повышения точности определения давления центробежного насоса с асинхронным электроприводом в условиях шумов входных сигналов измеряют мгновенные величины токов и напряжений статора асинхронного двигателя, преобразуют трехфазные значения токов и напряжений в двухфазные составляющие токов и напряжений. На каждом из временных отрезков составляют матрицу коэффициентов уравнений состояния асинхронного двигателя, определяют матрицу ковариаций ошибки, определяют матричный коэффициент усиления фильтра Калмана, определяют вектор выходных величин, по составляющим которого вычисляют электромагнитный момент и угловую скорость вращения ротора, развиваемые асинхронным электродвигателем. По значениям электромагнитного момента и угловой скорости вращения ротора определяют мгновенную гидравлическую мощность, развиваемую центробежным насосом. С помощью значений мгновенной гидравлической мощности и угловой скорости вращения ротора асинхронного двигателя определяют мгновенный объёмный расход центробежного насоса. По значениям действительного расхода насосной установки и давлению на подающем трубопроводе определяют развиваемое насосной установкой давление. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения давления жидкости насосной установки с центробежными насосами и асинхронными двигателями.

Способ определения давления центробежного насоса с асинхронным электроприводом, для реализации которого проводят измерение давления на подающем трубопроводе, проводят измерение мгновенных величин токов и напряжений статора асинхронного двигателя, преобразование трехфазных значений токов и напряжений в двухфазные составляющие токов и напряжений, отличающийся тем, что на каждом из временных отрезков составляют матрицу коэффициентов уравнений состояния асинхронного двигателя, определяют матрицу ковариаций ошибки, определяют матричный коэффициент усиления фильтра Калмана, определяют вектор выходных величин, по составляющим которого вычисляют электромагнитный момент и угловую скорость вращения ротора, развиваемые асинхронным электродвигателем, по значениям электромагнитного момента и угловой скорости вращения ротора определяют мгновенную гидравлическую мощность, развиваемую центробежным насосом, с помощью значений мгновенной гидравлической мощности и угловой скорости вращения ротора асинхронного двигателя определяют мгновенный объёмный расход центробежного насоса, по значениям действительного расхода насосной установки и давлению на подающем трубопроводе определяют развиваемое насосной установкой давление.