Усовершенствования способа управления компрессором - RU2433311C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к усовершенствованиям компрессоров, и более конкретно к усовершенствованию способа управления динамическими компрессорами с регулируемой частотой вращения двигателя, для исключения перегрузки двигателя вследствие дросселирования.

Динамические компрессоры с регулируемой частотой вращения двигателя, такие как центробежные компрессоры, используются для сжатия воздуха или других газов с 1960-х годов. Центробежные компрессоры, которые содержат цилиндрический узел лопаток компрессора, установленный на валу, широко используются во многих областях по ряду причин. Для них, как правило, характерно низкое электропотребление, низкие эксплуатационные расходы, так как они имеют мало подвижных частей, и они обычно дают более высокий расход воздуха, чем поршневой компрессор того же размера.

Рабочие характеристики компрессора в целом определяются соотношением между степенью сжатия и объемным или массовым расходом. Однако его полезный рабочий диапазон ограничивается такими явлениями, как помпаж, дросселирование, а также максимально допустимой частотой вращения компрессора.

В динамических компрессорах с регулируемой частотой вращения двигателя, работающих с заданным давлением нагнетания, расход воздуха через компрессор может быть увеличен путем увеличения частоты вращения компрессора. Состояние дросселирования встречается при больших потоках, когда увеличение частоты вращения компрессора дает убывающую зависимость увеличения расхода. Когда поток в любой точке компрессора достигает состояния дросселирования, дальнейшее увеличение расхода становится невозможным. Это состояние соответствует максимальному объемному расходу компрессора как функции степени сжатия. Конструкторы компрессоров пытались найти способы для предотвращения дросселирования во время работы компрессора, чтобы получить максимальную эффективность компрессора.

Температура воздуха (или другого сжимаемого газа) на входе определяет, сколько мощности потребуется для сжатия воздуха до заданной степени сжатия, т.е. для сжатия заданного объема холодного, более плотного воздуха может потребоваться больше мощности, чем для теплого, менее плотного воздуха. Таким образом, выходная мощность привода компрессора является функцией его частоты вращения и крутящего момента, причем крутящий момент является функцией давления на выходе компрессора и температуры воздуха на входе.

Увеличение частоты вращения приводного двигателя компрессора неизбежно влечет за собой увеличение мощности двигателя, что ведет к соответствующему увеличению температуры обмотки двигателя. Одна из проблем, встречающихся при попытке защитить компрессоры от дросселирования и избежать чрезмерно высоких температур обмотки двигателя, состоит в том, что мощность трудно измерить напрямую. Поэтому одним из предложенных решений по предшествующему уровню техники была работа компрессора с фиксированными предельными значениями частоты вращения и мощности. В случае выхода за границы этих предельных значений требуется вмешательство, причем идеальная защита обеспечивается путем останова машины при достижении предельных значений. Однако понятно, что это решение не применимо для нормальной коммерческой эксплуатации компрессора.

Поэтому технической задачей настоящего изобретения является создание способа управления мощностью, использующего измерения других параметров, как средства предотвращения дросселирования путем исключения перегрузки двигателя.

Соответственно изобретение предлагает способ управления компрессором для получения заданного давления нагнетания сжатого воздуха и предотвращения чрезмерного потребления мощности двигателя, причем компрессор приводится в действие от двигателя с регулируемой частотой вращения, имеющего обмотки двигателя, при котором температуру газа на входе, давление нагнетания газа на выходе, частоту вращения двигателя и температуру обмоток двигателя непрерывно измеряют во время работы компрессора; температуру газа на входе используют для определения предварительно заданного предельного значения максимальной температуры обмотки двигателя; максимальную температуру обмотки двигателя используют для задания предельного значения частоты вращения двигателя; и максимальную частоту вращения двигателя, заданное давление нагнетания и давление нагнетания газа на выходе используют для управления текущей частотой вращения двигателя, поддерживая ее ниже предельного значения максимальной частоты вращения двигателя.

Далее будет описан предпочтительный вариант воплощения настоящего изобретения, исключительно в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 - схема двойного контура обратной связи с пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором (ПИД-регулятором), используемого блоком управления по настоящему изобретению для управления работой компрессора.

Фиг.2 - график, показывающий зависимость температуры обмотки двигателя от мощности для различных значений температуры воздуха на входе.

Фиг.3 - график, показывающий зависимость температуры обмотки двигателя от температуры воздуха на входе.

В настоящем изобретении динамический компрессор, такой как центробежный компрессор, приводится в действие от двигателя с регулируемой частотой вращения, и его работой управляет блок управления. Имеется человеко-машинный интерфейс (ЧМИ) для обеспечения возможности задания определенных параметров.

Назначением компрессора является подача воздуха (или другого газа) с заданным давлением P_d нагнетания в количестве, соответствующем потребности в воздухе. Для обеспечения этого изменяют частоту вращения компрессора, и тем самым расход на выходе. Для защиты компрессора устанавливаются определенные предельные значения максимальных температуры обмотки, мощности и частоты вращения приводного двигателя. Максимальная частота V_mmax вращения задается такой, что она обеспечивает работу компрессора в границах его заданных предельных значений. Минимальная частота V_mmin вращения используется для обозначения точки, в которой в компрессоре возникает помпаж, и компрессор разгружается для уменьшения давления P_d нагнетания. Необходимо отметить, что эти значения приведены в качестве примера работы для одной конкретной комбинации компрессора и двигателя. Они, конечно, могут варьироваться для разных компрессоров и разных двигателей.

В настоящем изобретении блок управления программируется для использования двойного контура обратной связи с пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором (ПИД-регулятором), как показано на фиг.1, отдельные контуры которого описаны ниже.

Управление давлением

Первый контур обратной связи с ПИД-регулятором использует измеренное давление P_d нагнетания в качестве его входного сигнала управления и частоту V_m вращения двигателя в качестве его выходного сигнала управления. Данный контур обратной связи с ПИД-регулятором находится в нижней части схемы на фиг.1. П-компонент и И-компонент (пропорциональная составляющая и интегральная составляющая) устанавливаются на ЧМИ (Д-компонент - дифференциальная составляющая - в данном случае не требуется), и измеренное давление P_d нагнетания является переменной процесса, которая сравнивается с заданным (требуемым) давлением P_t (также устанавливаемым на ЧМИ). Если давление P_d нагнетания превышает заданное давление P_t, частота V_m вращения двигателя уменьшается согласно уравнению ПИД-регулятора. Если давление P_d нагнетания падает ниже заданного давления P_t, частота V_m вращения двигателя увеличивается до максимальной частоты V_mmax вращения двигателя.

Управление максимальной частотой вращения

Измеренная температура T_mw обмотки двигателя используется в качестве входного сигнала управления (переменной процесса) во втором контуре обратной связи с ПИД-регулятором для регулировки предельного значения максимальной частоты V_mmax вращения двигателя (выходной сигнал управления), и тем самым удержания температуры T_mw обмотки двигателя в заданных пределах. Данный второй контур обратной связи располагается в верхней части на чертеже фиг.1. П-, И- и Д- компоненты также устанавливаются на ЧМИ, и измеренная температура T_mw обмотки двигателя является переменной процесса, которая сравнивается с максимальной температурой T_mwmax обмотки двигателя. Это позволяет при максимально возможной частоте V_mmax вращения двигателя поддерживать требуемое давление P_d нагнетания.

Управление максимальной мощностью

Как было указано выше, мощность W_m двигателя необходима, чтобы реагировать на требования конкретной ситуации в зависимости от температуры T_in воздуха на входе. Так как максимальная температура T_mwmax обмотки двигателя является также функцией температуры T_in воздуха на входе, мощностью W_m двигателя можно управлять, используя температуру T_mw обмотки двигателя.

В настоящем изобретении значения максимальной температуры T_mwmax обмотки двигателя получены на опытно-испытательной установке (ОИУ) и используются для построения графика на фиг.2, применяя измерения в стационарном режиме при различных условиях по давлению и температуре. График показывает, что для конкретного фиксированного значения температуры T_in воздуха на входе существует линейная зависимость между мощностью W_m двигателя и температурой T_mw обмотки двигателя. Кроме того, требуемая мощность W_m двигателя уменьшается линейно с температурой T_in воздуха на входе.

Имеются также два фиксированных предельных значения, показанные на фиг.2. Они определяются реальной конструкцией машины и представляют собой конструктивно максимальную температуру T_mwdes обмотки двигателя и конструктивно максимальную мощность W_mdes двигателя.

График на фиг.2 используется для построения кривой на фиг.3 путем нанесения зависимости mT от T_in при конструктивно максимальной мощности двигателя W_mdes. При температурах на входе выше места пересечения конструктивно максимальной температуры и конструктивно максимальной мощности максимальная температура mT ограничивается конструктивно максимальной температурой T_mwdes, а температура на входе T_in не влияет на нее. Таким образом, значение максимальной температуры T_mwmax обмотки двигателя может быть вычислено для T_in ниже K_t по следующей формуле:

T_mwmax=m*T_in+c,

где «m» - тангенс угла наклона кривой, зависящий от температуры воздуха на входе T_in, «с» - константа, зависящая от места пересечения конструктивно максимальной температуры и температуры на входе K_t на фиг.2:

m=(T_mwdes-T_mw0°_C)/K_t=(150-130)/13=1,548 (для данного примера)

c= T_mw0°_C (для данного примера)

Как можно увидеть на фиг.3, чтобы обеспечить нахождение характеристики в заданных пределах, выше K_t (13°C) предельным лимитирующим параметром является температура T_mw обмотки, тогда как ниже K_t (13°C) предельным лимитирующим параметром является мощность W_m. Однако, принимая во внимание почти линейный характер кривых и температуру K_t (13°C) в месте пересечения T_mwи W_m, можно увидеть, что максимальная температура обмотки двигателя T_mwmax при низких температурах может быть уменьшена пропорционально температуре T_in воздуха на входе, оставаясь при этом все еще равной абсолютному максимальному значению T_setmax при других температурах. Таким образом:

если T_in< K_t, T_mwmax= m*T_in+T_mw0°C,

иначе T_mwmax=T_setmax

Изобретение, таким образом, основано на том принципе, что уменьшение максимальной температуры T_mwmax обмотки будет вызывать уменьшение максимальной частоты V_mmax вращения, в результате чего будет уменьшаться текущая частота V_m вращения, и тем самым управлять текущей температурой T_mw обмотки, которая управляет мощностью W_m. Здесь контуры обратной связи с ПИД-регулятором объединены, как показано на фиг.1, чтобы обеспечить централизованное управление мощностью W_m двигателя, что дает возможность оператору предотвратить дросселирование. Первый контур обратной связи управляет частотой вращения двигателя и тем самым частотой V_m вращения компрессора в границах до максимального предельного значения частоты V_max вращения, вычисленного вторым контуром обратной связи. Измеренная температура T_mw обмотки двигателя передается на второй контур обратной связи, который сравнивает ее с вычисленной максимальной температурой обмотки двигателя T_mwmax, основанной на измеренной температуре T_in на входе, для обеспечения максимальной рабочей частоты V_max вращения, которая передается обратно на первый контур обратной связи.

Способ по настоящему изобретению основан на измерениях в стационарном режиме и не может использоваться для условий пускового периода машины. Однако, если ограничение мощности является главным для управления температурой обмотки двигателя или состоянием дросселирования, это не будет являться проблемой. Если имеются другие ограничения из-за ускорения, не перекрываемого ограничителем тока частотно-регулируемого привода, то время пускового периода должно было бы регулироваться в частотно-регулируемом приводе.

Реферат

Изобретение относится к усовершенствованию компрессоров, и более конкретно к усовершенствованию способа управления динамическими компрессорами с регулируемой частотой вращения, для исключения перегрузки двигателя вследствие дросселирования. Изобретение предлагает способ управления компрессором для получения сжатого воздуха с заданным давлением нагнетания (Pt) и предотвращения чрезмерного потребления мощности двигателя, причем компрессор приводится в действие от двигателя с регулируемой частотой вращения, имеющего обмотки двигателя, при котором температуру газа на входе (Tin), давление нагнетания газа на выходе (Pd), частоту вращения двигателя (Vm) и температуру обмоток двигателя (Tmw) непрерывно измеряют во время работы компрессора. Температуру газа на входе (Tin) используют для определения предварительно заданного предельного значения максимальной температуры обмотки двигателя (Tmwmax). Максимальную температуру обмотки двигателя (Tmwmax) используют для задания предельного значения частоты вращения двигателя (Vmmax). Максимальную частоту вращения двигателя (Vmmax), заданное давление нагнетания (Pt) и давление нагнетания газа на выходе (Pd) используют для управления текущей частотой вращения двигателя (Vm), поддерживая ее ниже предельного значения максимальной частоты вращения двигателя (Vmmax). Технический результат изобретения - исключение перегрузки двигателя. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула