Устройство регулирования производительности компрессора с регулируемым электроприводом с расширением рабочей зоны и контролем зоны помпажа Советский патент 1991 года по МПК F04D27/00 

Изобретение относится к электротехнике, конкретно к области регулирования компрессоров, и может быть использовано в электроприводах компрессоров с регулиро-. ванием их производительности.

Цель изобретения - повышение надежности работы устройства.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2-структурная схема работы управления механизмом задвижки компрессора; на фиг.З- реализации аналоговое запоминающее утсройство, первый вариант; на фиг.4 - то же, второй вариант; на фиг.5 - графики зависимости давления на выходе компрессора от производитель- ности компрессора при постоянном режиме давления на выходе компрессора; на фиг.6 - графики зависимости давления на выходе компрессора от производительности компрессора при переменном режиме давления на выходе компрессора; на фиг.7 - диаграмма работы аналогового запоминающего устройства, выполненного по первому варианту; на фиг.8- диаграммы работы аналогового запоминающего устройства, вы- полненного по второму варианту.

Устройство регулирования производительности компрессора (фиг.1) содержит электропривод 2 с преобразователем 3 частоты, первый, второй и третий контакторы 4, 5 и 6, блок 7 синхронизации, датчик 8 тока преобразователя, нелинейный блок 9, блок

10управления дроссельной заслонкой, блок

11модели ампер-секундной характеристики преобразователя, логический блок 12, датчик 13 давления газа на выходе компрессора, датчик 14 расхода газа на выходе компрессора, блок 15 умножения, первый, второй, третий и четвертый функциональные преобразователи 16 - 19, первый ком- паратор 20 и первое реле 21 с первым, вторым и третьим контактами 22, 23 и 24, блок 25 фиксации частоты вращения, блок

26 управления выпрямителем, блок 27 управления инвертором, катушки 28 29 и 30 первого, второго и третьего контакторов 4.

5 и 6, соответственно, подключенные через соответственно первый, второй и третий контакты первого реле 21 к питающей сети, выход первого контактора 4 через преобразователь 3 частоты и второй контактор 5 подключен к электроприводу 2, входы первого и третьего контакторов 4 и 6 и вход блока 7 синхронизации связаны между собой, выход датчика 8 тока преобразователя подключен к входу нелинейного блока 9, первый выход которого подключен к входу блока 10 управления дроссельной заслонкой компрессора, а второй - к входу блока 11 модели ампер-секундной характеристики преобразователя, выход которого подключен к первому входу логического блока 12, второй вход которого подключен к выходу блока 7 синхронизации, первый выход к второму входу третьего контактора 6, а второй выход- к второму входу второго контактора 5, первый выход блока 25 фиксации через блок 26 управления выпрямителем подключен к первому управляющему входу преобразователя 3 частоты, второй выход блока 25 фиксации через блок 27 управления инвертором подключен к второму управляющему входу преобразователя 3 частоты, выход третьего контактора 6 подключен к второму входу блока 7 синхронизации и к электроприводу 2, выход датчика 14 расхода газа на выходе компрессора подключен к первому входу блока 15 умножения и входу третьего функционального преобразователя 18, выход которого через четвертый функциональный преобразователь 19 подключен к первому входу первого компаратора 20, выход которого подключен к первому реле 21. выход датчика 13 давления газа на выходе компрессора подключен к второму входу блока 15 умножения и входу первого функционального преобразователя 16. выход которого подключен к первому входу второго функционального преобразователя 17, второй вход которого подключен к выходу блока 15 умножения, а выход - к второму входу компаратора 20. Кроме того

устройство содержит датчик 31 скорости вращения электропривода, первый, второй, третий и четвертый блоки 32 - 35 констант, второй, третий и четвертый компараторы 36, 37 и 38, блок 39 деления, второй блок 40 умножения, второе реле 41 с первым и вторым контактами 42 и 43, третье реле 44 с контактом 45, четвертое реле 46, пятый функциональный преобразователь 47 и аналоговое запоминающее устройство 48, выход третьего функционального преобразователя 18 подключен через первый контакт 42 второго реле 41 к входу блока 25 фиксации частоты вращения и первому входу второго блока 40 умножения, выход которого под- ключей к первому входу второго компаратора 36, второй вход которого подключен к выходу датчика 14 расхода газа на выходе компрессора, а выход - к третьему реле 44, выход датчика 31 скорости вращения злект- ропривода через последовательно соединенные блок 39 деления, пятый функциональный преобразователь 47, контакт 45 третьего реле 44, аналоговое запоминающее устройство 48 и второй контакт 43 второго реле 41 подключен к первому входу второго блока 40 умножения, выход датчика 13 давления газа на выходе компрессора подключен к первым входам третьего и четвертого компараторов З и 38, выходы которых подключены к входам соответственно четвертого и второго реле 46 и 41, выходы первого, второго, третьего и четвертого блоков 32 - 35 констант подключены к вторым входам соответственно блока 39 деления, второго блока 40. умножения, третьего компаратора 37 и четвертого компаратора 38.

Устройство управления механизмом 49 задвижки на выходе компрессора 1 может быть выполнено в виде устройства, содержащего контакты 50 и 51 реле 46, контакты 52 и 53 реле 44, шаговый двигатель 54 механизма 49 задвижки на выходе компрессора Л, электродвигатель 55 механизма задвиж- ки для полного закрытия задвижки в режиме помпажа, контакт 56 концевого выключателя для фиксации полного закрытия задвижки.

Кроме того.на фиг.2 показана запитка от

сети постоянного тока шагового двигателя

54механизма 49 задвижки через нормально открытые контакты 52 и 53 реле 44, а также запитка от этой же сети электродвигателя

55для полного закрытия задвижки в режиме помпажа через контакт 56 концевого выключателя, фиксирующего полное закрытие задвижки и, соответственно, отключающего электродвигатель 55 от сети.

Устройство работает следующим образом,

Рабочая зона компрессора ограничивается граничной характеристикой сети RCr, проходящей через максимумы напорных характеристик компрессора (Qk) для различных частот вращения вала компрессора V (фиг.5), где Hk, Qk - соответственно давление и расход на выходе компрессора. Справа от этой граничной характеристики - рабочая зона, слева - нерабочая (зона помпажа). В этой зоне компрессор работать не может.

Рабочая точка системы компрессор - пневматическая сеть определяется точкой пересечения напорной характеристики компрессора и пневматической сети.

Регулирование производительности вниз от основной в схеме осуществляется аналогично известному устройству до точки d (фиг.5). Так, в начальный период снижения производительности от номинального значения (Он) целесообразно снижать производительность дросселированием на всасе с последующим переходом на регулирование изменением частоты вращения в момент равенства потерь активной мощности при одном и втором способе регулирования производительности. Дальнейшее снижение производительности осуществляется изменением частоты вращения, и так до точки d. В точке d поступает сигнал о наличии помпажа и отклоючении компрессора от сети. Регулирование в известном устройстве осуществляется при обеспечении постоянного давления на выходе компрессора (), что и требуется по условию технологии производства сжатого воздуха в рабочие часы шахты (рудника).

Устройство позволяет расширить рабочий диапазон работы компрессора на величину A Q (или Д Qz). Известное устройство не может реализовать регулирование производительности от значения Qi и ниже (фиг.6) при изменении давления на выходе компрессора, т.е. расширить регулировочный ди- апазон по производительности компрессора, так как функциональный преобразователь 18 осуществляет закон регулирования v f(Qk) при Hk const, т.е. работа известного устройства ограничена точкой d. В известном устройстве при достижении точки d (фиг,5) компрессор отключаетсяот сети,открывается противопомпажный клапан и весь вырабатываемый воздух уходит в атмосферу. Пред лагаемое устройство увеличивает регулировочный диапазон, что позволяет более рачительно использовать сжатый воздух, т.е. не выпускать его в атмосферу, а направлять непосредственно в шахту. Известное устройство не позволяет работать при производительностях ниже QI, поскольку эта производительность является граничной при. обеспечении номинального постоянного давления на выходе (фиг.5 и 6).

Величина номинального давления ННом в функциональном преобразователе 18 известного устройства представлена как константа. Т.е. расширить рабочую зону компрессора, как видно из фиг.б, 5, можно только изменив давление на выходе компрессора, что позволяет осуществить предлагаемое устройство. Геометрическое место максимумов напорных характеристик компрессора, т.е. значения производительно- стей QksKci для каждой ц, ограничивающих рабочую зону и зону помпажа, можно получить, зная аналитическое выражение зависимости (Qk) для различных ц, взяв

производную j A 0 (и приравняв ее к

О Uk

нулю) Выражение напорной характеристики компрессора для различных vi (3,4) следующие

Hk H0vi2-V) dQk-b2Q2k, где H0,d, 02 - константы;

-v,d-2b2Qk 0.

vjd 2b2

Отсюда Qk экс I

Вычисление Qk экс i осуществляется в схеме следующим образом, Блок 33 констант реализует зависимость (-d/2b2). Текущее значение V) (при обеспечении закона регулирования производительности при Hk const, что осуществляет в известном устройстве функциональный преобразователь 18) поступает с функционального преобразователя 18 на первый вход блока 40 умножения. На второй вход блока 40 поступает константа(-d/2b2). На компараторе 36 происходит сравнение текущего значения производительности компрессора и граничного значения Qk экс i, получаемого на выходе блока 40. При превышении Qk экс i значения текущего Qk в известном устройстве должен сигнализироваться помпаж (точки d на фиг.6 и 5).

В предлагаемом устройстве при Qk экс i Qk mek рабатывает реле 44, так как сигнал на положительном входе компаратора 36 превышает сигнал на отрицательном входе и диод, включенный в соответствии с показанным на фиг.1 способом, пропустит сигнал к реле 44. Сработав, реле 46 замыкает свои контакты 52 и 53 в цепи питания шагового двигателя 54 механизма 49 задвижки, т.е. при этом задвижка на выходе компрессора 1 приоткрывает выход ко мпрессора 1 в пневмосеть, что тем самым снижает сопротивление пневмосети, и условно характеристика сети становится R сш (фиг.2 и 6). Рабочая точка системы компрессор - сеть смещается в точку е (фиг.6). Смещение характеристики сети в точку е (т.е. изменение

характеристики пневмосети вследствие приоткрытия задвижки на выходе в пневмосеть) рассчитано аналитически таким образом, что давление в системе падает не меньше чем на 10%. Это требование необходимо соблюдать вследствие того, что, хотя давление в сети и стабилизируется в течение рабочей смены на шахте, отклонения его от номинального значения вниз могут достигать максимально 6-7% (на

основании анализа статистических данных), а режим перехода работы системы на пониженное давление необходимо очень четко зафиксировать.

Нормально открытым контактом 45 с

выдержкой времени на размыкание реле 44 подготавливается другая цепь формирования частоты вращения электропривода 2 через датчик 31 скорости. Выдержка времени контакта 45 нужна для формирования на

выходе запоминающего устройства 48 сигнала, пропорционального требуемой частоте вращения электропривода 2. так как в момент изменения характеристики сети реле 44 отключается (фиг.1). Компаратор 38 на

выходе дает сигнал при снижении давления в коллекторе до уровня 0,9 ННом, т.е. при смещении рабочей точки системы а точку е (фиг.6). При этом срабатывает реле 41, которое своими контактами 42 и 43 разрывает

цепь запитки блока 25 фиксации частоты вращения электропривода от функционального преобразователя 18 и включает цепь запитки от датчика 31 скорости, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный частоте вращения электропривода 2, который поступает на первый вход блока 39 давления.

На второй вход блока 39 давления поступает сигнал, пропорциональный номинальнойскоростивращения

электропривода 2, с блока 32 констант. На выходе блока 39 формируется сигнал текущей относительной частоты вращения v-,eK, который поступает на вход функционально;

го преобразователя 47, формирующего на выходе сигнал частоты вращения, соответствующий работе электропривода 2 с частотой V3 (фиг.6). При этом электроприводу 2 задана новая частота вращения V3, соответствующая переходу электропривода 2 на работу в точку f (фиг.6).

Следует отметить, что при переходе электропривода 2 из точки d в точку е (т.е. сразу же, как начинается искусственное изменение RC) реле 44 отпускается, т.е. текущая производительность становится выше граничного значения. Однако, его контакты и в схеме аналогового запоминающего устройства 18 имеют выдержку времени на размыкание с целью формирования во времени (при отключении реле 44) на выходе запоминающего устройства 48 сигнала, пропорционального требуемой частоте вращения, которую необходимо установить электроприводу 2 при срабатывании реле 41 и переключении контактов 42 и 43. Эта частота фиксируется на выходе запоминающего устройства 48 и подается на блок 25 фиксации частоты вращения, несмотря на разрыв, через выдержку времени контакта 45 реле 44. Эта частота вращения будет фиксированной до тех пор, пока в процессе дальнейшего снижения производительности потребителей (работа электропривода 2 по кривой f - g на фиг.6, ввиду изменения характеристики сети от RCU до Rcr) рабочая точка не достигнет точки д. При достижении электроприводом 2 рабочей точки срабатывает реле 44 и так далее, аналогично ранее рассмотренному.

На выходе запоминающего устройства 48 формируется новое значение частоты вращения, переводящее электропривод 2 в точку h (фиг.6). Реле 41 и его контакты остаются включенными ввиду того, что работа устройства происходит на пониженном давлении.

Такое регулирование происходит до значения давления . Для более полного использования рабочего диапазона по производительности уровень срабатывания компаратора 37 принят равным 0,9 НМИн, как показано на фиг.1 и 6.

При достижении электроприводом 2 рабочей точки I дальнейший процесс регулирования осуществляется по кривой i - j, т.е. при повышении давления в сети, что позволит расширить на величину A Q2 - ДСП регулировочный диапазон по производительности.

При достижении ,9 Нмин срабатывает реле 46, замыкает свои контакты 50 и 51 в цепи питания электродвигателя 55 полного закрытия задвижки в режиме помпажа и сигнализирует в схему защиты от помпажа. При этом задвижка на выходе компрессора 1 полностью закрывается (полное закрытие фиксируется концевым выключателем, разрывающим контакт 56 в цепи запитки электродвигателя 55, что его обесточивает), открывается противопомпажный клапан и вырабатываемый сжатый воздух поступает в атмосферу.

5Запуск компрессора до номинальной

производительности осуществляется по обычной схеме пуска.

Аналоговое запоминающее устройство работает следующим образом.

0 При замыкании контакта 45 реле 44 и дополнительного контакта реле 48 в схеме аналогового запоминающего устройства 48 (фиг.З) вступает в действие интегратор, интегрирующий входной сигнал, ограничивае5 мый элементом типа Сигнатура. При постоянной интегрирования интегратора и единичном выходе ограничительного элемента, имеющего на первом входе сигнал, пропорциональный необходимой час0 тоте вращения, например, равный 6В, выходной сигнал интегратора за 6с достигнет 6В.

После этого за счет сигнала, поступающего с выхода интегратора на второй инвер5 сный вход ограничительного элемента, на выходе последнего устанавливается нулевое значение сигнала и процесс интегрирования интегратором прекращается, а на выходе интегратора сохраняется значение

0 6В, несмотря на разрывание через выдержку времени контакта 45 и контакта в схеме устройства 48 реле 44.

Выдержка времени указанных контактов выбирается из условия запоминания

5 максимального сигнала задания скорости. При дальнейшем срабатывании реле 44 с изменившимся значением задания, например 5В, интегратор отрабатывает разностный сигнал задания и ранее

0 установившегося сигнала на выходе интегратора (-1)В и запоминает значение заданий частоты вращения, соответствующее 5В. Диаграмма отработки сигнала 6В и последующего сигнала 5В во времени приведена на

5 фиг.7.

Для обеспечения плавного перехода с одного значения скорости на другое, что особо важно для безударной работы электропривода 2, используют схему запоминаю0 щего устройства с двойным интегрированием, представленную на фиг.4.

Таким образом, устройство позволяет при расширении рабочей зоны компрессора

5 и контроле зоны помпажа обеспечить высокую надежность регулирования производительности компрессора.

Формула изобретения Устройство регулирования производительности компрессора с регулируемым

электроприводом с расширением рабочей зоны и контролем зоны помпажа содержащее электропривод с преобразователем частоты, первый, второй и третий контакторы, блок синхронизации, датчик тока преобразователя, нелинейный блок управления дроссельной заслонкой, блок модели ампер-секундной характеристики преобразователя, логический блок, датчик давления газа на выходе компрессора, датчик расхода газа на выходе компрессора, блок умножения, первый, второй, третий и четвертый функциональные преобразователи, первый компаратор и первое реле с первым, вторым и третьим контактами, блок фиксации частоты вращения, блок управления выпрямителем, блок управления инвертором, катушки первого, второго и третьего контакторов соответственно, подключенные через первый, второй и третий контакты первого реле к питающей сети, выход первого контактора через преобразователь частоты и второй контактор подключен к электроприводу, входы первого и третьего контакторов и вход блока синхронизации связаны между собой, выход датчика тока преобразователя подключен к входу нелинейного блока, первый выход которого подключен к входу блока управления дроссельной заслонкой компрессора, а второй - к входу блока модели ампер-секундной характеристики преобразователя, выход которого подключен к первому входу логического блока, второй вход которого подключен к выходу блока синхронизации, первый выход - к второму входу третьего контактора, а второй выход - к второму входу второго контактора, первый выход блока фиксации частоты вращения через блок управления выпрямителем подключен к первому управляющему входу преобразователя частоты, второй выход блока фиксации частоты вращения через блок управления инвертором подключен к второму управляющему входу преобразователя частоты, выход третьего контактора подключен к второму входу блока синхронизации и электроприводу, выход датчика расхода газа на выходе компрессора подключен к первому входу блока умножения и входу третьего функционального преобразователя, выход которого через четвертый функциональный преобразователь подключен к первому входу первого компаратора, выход которого подключен к первому реле, выход датчика давления газа на выходе компрессора подключен к второму входу блока умножения и входу первого функционального преобразователя, выход

которого подключен к первому входу второго функционального преобразователя, второй вход которого подключен к выходу блока умножения, а выход- к второму входу компаратора, отличающееся тем, что,

с целью повышения надежности, оно дополнительно содержит датчик скорости вращения электропривода, первый, второй, третий и четвертый блоки констант, второй, третий и четвертый компараторы, блок деления, второй блок умножения, второе реле с первым и вторым контактами, третье реле с контактом, четвертое реле, пятый функциональный преобразователь и аналоговое запоминающее устройство, выход третьего

функционального преобразователя подключен через первый контакт второго реле к входу блока фиксации частоты вращения и первому входу второго блока умножения, выход которого подключен к первому входу

второго компаратора, второй вход которого подключен к выходу датчика расхода газа на выходе компрессора, а выход - к третьему реле, выход датчика скорости вращения электропривода через последовательно с оединенные блок деления, пятый функциональный преобразователь, контакт третьего реле, аналоговое запоминающее устройство и второй контакт второго реле подключен к первому входу второго блока

умножения, выход датчика давления газа на выходе компрессора подключен к первым входам третьего и четвертого компараторов, выходы которых подключены к входам соответственно четвертого и второго реле,

выходы первого, второго, третьего и четвертого блоков констант подключены к вторым входам соответственно блока деления, второго блока умножения, третьего компаратора и четвертого компаратора.

Устройство регулирования производительности компрессора с регулируемым электроприводом с расширением рабочей зоны и контролем зоны помпажа относится к электротехнике, конкретно к области регулирования компрессоров, может быть использовано в электроприводах компрессоров с регулированием их производительности и позволяет повысить надежность регулирования компрессоров. Устройство содержит электропривод 2 компрессора 1 с преобразователем 3, блоки 10.

Jt-.

45

18

И

J.

45

48 1ВI-

(-)

(-}

Фиг.I

У

48

V;

Фиг.З

о,

У

V:

№

Фм.4

н

Фш.5

н

PI

ci

C1

/

/ffci/4

Фиг. 6

U(B)

68 58

Время

запоминания

an ) 4 5 6и

Фт.9

Время Запоминание

1,с