Nghiên cứu hệ thống điều khiển trạm bơm nước sạch

LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống điều khiển trạm bơm nước em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo Nguyễn Mạnh Tiến Các kết số liệu nêu đồ án có thật, thu từ trình tìm hiểu, nghiên cứu thân chưa công bố tài liệu khoa học, kỹ thuật Hà Nội, ngày 16/12/2014 Sinh viên Phạm Xuân Thủy 1 Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Đất nước ta thời kỳ đổi hội nhập, tòa nhà cao tầng mọc lên nhanh, cấp đủ nước sinh hoạt cho tòa nhà nhiệm vụ quan trọng Hiểu tầm quan trọng đó, em chọn đề tài đồ án tốt nghiệp “ Nghiên cứu hệ thống điều khiển trạm bơm nước sạch” trụ sở Bộ Công an Đồ án em đề cập đến vấn đề sau: Cấu tạo đặc tính máy bơm Điều khiển tần số động không đồng xoay chiều ba pha Xây dựng hệ thống điều khiển lưu lượng áp lực Tổng hợp hệ thống điều khiển mô Các vẽ Trong trình làm đồ án em nghiêm túc vận dụng kiến thức truyền thụ từ thầy cô trường, kiến thức học từ bạn, tìm hiểu, khám phá thân đặc biệt kiến thức từ hướng dẫn tận tình thầy giáo Nguyễn Mạnh Tiến để hoàn thành đồ án Tuy nhiên, kiến thức hạn chế thiếu kinh nghiệm, đồ án em không tránh khỏi thiếu xót kính mong giúp đỡ bảo thầy cô môn để đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn 2 Mục lục MỤC LỤC 3 Chương 1: Cấu tạo đặc tính máy bơm CHƯƠNG CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH MÁY BƠM Máy bơm công cụ đắc lực phục vụ người, không sản xuất mà sinh hoạt, chứng tỏ tầm quan trọng máy bơm thời buổi Máy bơm có nhiều chủng loại mẫu mã khác nhau, đồ án em xin trình bày máy bơm ly tâm trục đứng Chúng ta bắt gặp hệ thống bơm nước tuần hoàn nhà máy sản xuất công nghiệp hay hệ thống cung cấp nước sinh hoạt tòa nhà cao ốc… nơi cần lượng nước sinh hoạt lớn với nhu cầu, lưu lượng thay đổi thường xuyên Yêu cầu đặt phải giải việc ổn định áp suất đường ống cấp nước tiết kiệm lượng thông qua hệ thống điều khiển tự động trạm bơm nước 1.1 Máy bơm 1.1.1.Cấu tạo Hình 1.1 Máy bơm trục đứng Máy bơm loại máy thủy lực, nhận lượng từ bên ngoài( năng, thủy năng, điện vv ) truyền lượng cho dòng chất lỏng, nhờ đưa chất lỏng lên độ cao định dịch chuyển chất lỏng theo hệ thống đường ống Được cấu tạo từ nhiều phận phận có nhiệm vụ khác Bánh công tác: Là phận quan trọng máy bơm, kết cấu có ba dạng cánh mở hoàn toàn, mở phần cánh kín Chương 1: Cấu tạo đặc tính máy bơm Bánh công tác lắp cố định trục bơm với chi tiết khác cố định với trục tạo nên phần quay bơm gọi Rôto Bánh công tác đúc gang thép theo phương pháp đúc xác độ sai số nhỏ Các bề mặt cánh dẫn đĩa bánh công tác yêu cầu có độ nhẵn tương đối cao để giảm tổn thất Bánh công tác Rôto máy bơm phải cân tĩnh cân động để làm việc bánh công tác không chạm vào thân bơm Trục bơm: thường chế tạo thép hợp kim , chống rỉ thường lắp với bánh công tác thông qua mối ghép then Bộ phận dẫn hướng vào phận dẫn hướng Hai phận thuộc thân máy bơm thường, buồng xoắn ốc, đúc gang, có hình dạng tương đối phức tạp 1.1.2 Nguyên lý hoạt động Trước máy bơm làm việc cần làm cho thân bơm có bánh công tác ống hút điền đầy nước thường gọi mồi bơm Trong vận hành bơm ly tâm, bánh công tác bơm quay, kéo theo phần tử chất lỏng nằm bánh công tác chịu tác động loại lực gọi lực ly tâm Theo nguyên lý lực ly tâm, nước dẫn vào tâm quay cánh bơm nhờ lực ly tâm nước văng mép cánh bơm, lượng bên thông qua cánh bơm truyền cho dòng nước, phần tạo nên áp năng, phần tạo nên động khiến nước chuyển động Các phần tử chất lỏng chuyển động theo máng dẫn vào ống đẩy với áp xuất cao hơn, gọi trình đẩy bơm Quá trình hút diễn nhờ trình đẩy, phần tử chất lỏng đẩy tạo vùng chân không đầu vào cộng thêm áp suất đầu vào bơm nhỏ áp suất bể chứa nên nước hút vào bên bơm Quá trình đẩy hút bơm liên tục tạo thành dòng chảy liên tục qua bơm thời gian máy bơm vận hành N n H Chương 1: Cấu tạo đặc tính máy bơm 1.1.3 Q Đặc tính kỹ thuật: Suất vòng quay thấp Việc lựa chọn máy bơm xác với thông số Q H khó có thể, cần phải đổi đường đặc tính Một cách thay đổi đường đặc tính máy bơm thay đổi số vòng quay, hình dạng đặc tính thể hình 1.2 Bơm có suất vòng quay cao đường công suất cột áp nghiêng hơn, với loại có suất vòng quay thấp đường công suất phẳng Bơm dòng hỗn hợp có đặc tính lưu lượng, cột áp thoải loại đặc trưng cho bơm hỗn hợp bơm dọc trục Q Hình 1.2.Các đặc tính bơm 1.2 Nguyên lý điều chỉnh lưu lượng Trạm bơm có hai máy bơm bơm để cấp nước vào đường ống chung Áp lực lưu lượng nước thay đổi theo hàng tùy theo nhu cầu sử dụng Bơm thiết bị kèm đường ống, van, đài nước đượcthiết kế với lưu lượng bơm lớn, điều chỉnh lưu lượng nước bơm thực phưng pháp sau: H Chương 1: Cấu tạo đặc tính máy bơm Có hai phương pháp để điều chỉnh lưu lượng nước trạm bơm cấp nước sinh hoạt điều chỉnh van tiết lưu thay đổi số vòng quay động không đồng xoay chiều ba pha 1.2.1 Điều chỉnh tiết lưu: Đối với bơm điều chỉnh tiết lưu thực đầu đẩy máy bơm Nếu đặt đầu hút điều chỉnh sâu ( giảm nhanh lưu lượng) dễ xảy tượng đứt dòng, phá vỡ chế độ làm việc ổn định bơm Mặt khác, thay đổi lưu lượng không phụ thuộc vào độ mở van tiết lưu mà thay đổi đặc tính hệ thống hQ2 Hht hs Q Hình 1.3 phương pháp điều chỉnh tiết lưu Ta có công thức: Như thay đổi cột áp tĩnh toàn phần theo hai khả năng: Thứ nhât: Thay đổi cách thay đổi Thứ hai: Thay đổi cách thay đổi Nếu coi áp suất đầu hút áp suất khí không thay đổi, ta thay đổi hai cách: Chương 1: Cấu tạo đặc tính máy bơm Thay đổi chiều cao h Khi tăng h, tăng lưu lượng giảm, ngược lại giảm h, giảm lưu lượng tăng Thay đổi áp xuất đầu xả : Tăng , tăng, lưu lượng giảm ngược lại Phương pháp điều chỉnh có nhược điểm gây tổn hao lượng mà gây nên tượng hỏng hóc thiết bị đường ống chấn động đóng mở van Phương pháp không tối ưu, thực việc điều chỉnh lưu lượng phương pháp thay đổi số vòng quay 1.2.2 Điều chỉnh lưu lượng thay đổi số vòng quay: n,N,P n4 n3 n2 n1 P4 P3 P2 P1 A4 A3 A1 A2 Q Q1 Q2 Q3 Q4 Hình 1.4 Điều chỉnh thay đổi số vòng quay Máy làm việc với vòng quay khác nhau: n1; n2; n3; n4 Trong đó: , tương ứng với số vòng quay máy có đặc tính công tác khác nhau, đặc tính máy không thay đổi nên điểm công tác không đổi Tại điểm , suất cột áp có giá trị tương ứng Từ đặc tính theo số vòng quay ta thấy Khi tăng số vòng quay, lưu lượng cột áp tăng, ngược lại giảm số vòng quay lưu lượng cột áp giảm Tương ứng điểm công tác , ta có công suất tiêu thụ N hiệu suất tương ứng Trường hợp lý tưởng cấu truyền động tổn thất: Chương 1: Cấu tạo đặc tính máy bơm hay: Trường hợp cấu truyền động có tổn thất ( dùng khớp trượt thủy lực, động không đồng có trở kháng mạch roto), mát tỷ lệ với giảm số vòng quay quan hệ là: hay: Như có tổn thất, chế độ làm việc thay đổi ( Q n – Q), công suất tiêu hao lớn trường hợp lý tưởng Điều chỉnh lưu lượng theo số vòng quay có ưu điểm sau: Điều chỉnh phương pháp tăng giảm lưu lượng khác với điều chỉnh tiết lưu ( n= const) loại điều chỉnh chiều theo chiều giảm lưu lượng Vận hành hiệu tổn thất lượng điều chỉnh tiết lưu, nhiên thực tế lúc sử dụng phương pháp Đối với máy ly tâm công suất lớn sử dụng động điện thay đổi số vòng quay theo cấp Ưu điểm hiệu suất cao đắt nên sử dụng Đối với máy ly tâm công suất nhỏ chạy động điện, việc thay đổi số vòng quay thực • Kết luận Qua ưu nhược điểm nêu trên, em lựa chọn phương pháp điều khiểnlưu lượng việc điều chỉnh tốc độ động không đồng xoay chiều ba pha Chương Điều khiển tần số động không đồng xoay chiều ba pha CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA 2.1 Cấu tạo Giống máy điện quay khác, động không đồng xoay chiều ba pha gồm có phần phần động phần tĩnh: Hình 2.1 Hình dạng bên động 2.1.1 Phần tĩnh- Stato Vỏ máy có tác dụng cố định lõi thép dây quấn, thông thường làm gang, loai có công suất lớn (1000kw) thường dùng thép để hàn lại Lõi thép ghép thép kỹ thuật điện hình vành khăn có sẻ rãnh bên để đặt dây quấn Stato Mỗi lõi thép kỹ thuật điện phủ sơn cách điện bề mặt để giảm tổn hao dòng điện xoáy gây nên, máy có công suất lớn lõi thép gép từ nhiều thép hình Dây quấn dây điện từ dây đồng nhôm quấn thành tổ bối dây Các yêu cầu dây quấn là: Sinh sức điện động cần thiết cho dòng điện định chạy qua mà không bị nóng, sinh mô men, đảm bảo đổi chiều tốt 10 Chương Tổng hợp hệ thống điều khiển mô Hàm truyền luật điều khiển Do đó: Từ hàm truyền biến tần hàm truyền luật điều khiển ta có sơ đồ hình 4.3 Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc biến tần 4.1.3 Sơ đồ cấu trúc bơm Hàm truyền bơm có dạng: -Rất nhỏ, vài giây: Chọn Thay số ta nhận được: Trong đó: Sơ đồ cấu trúc Bơm có dạng hình 4.4 35 Chương Tổng hợp hệ thống điều khiển mô Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc bơm 4.1.4 Sơ đồ cấu trúc mô tả đường ống Phương trình vi phân mô tả đường ống: Trong đó: Q - Lưu lượng nước đường ống - Lưu lượng tiêu thụ Hàm truyền đường ống có dạng Sơ đồ cấu trúc mô tả đường ống hình 4.5 () Hình 4.5 Sơ đồ cấu trúc đường ống 4.1.5 Cảm biến đo áp lực Hàm truyền khâu cảm biến đo áp lực: Thay số ta nhận được: Trong đó: 36 Chương Tổng hợp hệ thống điều khiển mô Sơ đồ cấu trúc khâu cảm biến áp lực có dạng hình 4.6 Hình 4.6 Sơ đồ cấu trúc khâu cảm biến áp lực 4.1.6 Cảm biến đo lưu lượng Hàm truyền khâu đo lưu lượng Thay số ta nhận được: Trong đó: Sơ đồ cấu trúc khâu cảm biến lưu lượng có dạng hình 4.7 Hình 4.7 Sơ đồ cấu trúc cảm biến đo lưu lượng 37 Chương Tổng hợp hệ thống điều khiển mô () A () () B () Pp PP () () () A () () () B Pp 38 Chương Tổng hợp hệ thống điều khiển mô Hình 4.8 Sơ đồ cấu trúc tổng thể trạm bơm 4.2.Tổng hợp điều khiển 4.2.1 Bộ điều khiển lưu lượng Theo sơ đồ cấu trúc tổng thể trạm bơm hình 4.6, ta bỏ qua B nhỏ ta có sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển lưu lượng hình 4.7 A () Hình 4.9 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển lưu lượng Hàm truyền đối tượng điều khiển có dạng: Rút gọn ta nhận được: Trong đó: Thay số ta được: 39 Chương Tổng hợp hệ thống điều khiển mô Thay số ta được: Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: Hàm tối ưu đối xứng () Hình 4.10 Bộ điều khiển lưu lượng Hàm truyền hệ kín có dạng: Do đó: Thay , vào: Chọn: (s) Hàm truyền điều chỉnh lưu lượng nhận có dạng: 40 Chương Tổng hợp hệ thống điều khiển mô 4.2.2 Bộ điều khiển áp lực Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển áp lực có dạng hình 4.10 Hình 4.11 Bộ điều khiển áp lực Hàm truyền đối tượng điều khiển có dạng: Bỏ qua thành phần bậc cao, hàm truyền đối tượng điều khiển có dạng: Trong đó: Áp dụng công thức tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: 41 Chương Tổng hợp hệ thống điều khiển mô Bỏ qua Chọn =0,001(s) Thay số ta được: 4.3 Các kết mô hệ thống điều khiển trạm bơm Sau chạy mô toàn hệ thống điều khiển trạm bơm nước, cho kết hình 4.12 Hình 4.12 Sơ đồ mô toàn hệ thống Kết mô động bơm có hình dạng hình 4.13 42 Chương Tổng hợp hệ thống điều khiển mô Hình 4.13 Sơ đồ mô động bơm Kết mô động điện có hình dạng hình 4.14 Hình 4.14 Sơ đồ mô động điện 43 Chương Tổng hợp hệ thống điều khiển mô Kết mô đường ống phụ tải có hình dạng hình 4.15 Hình 4.15 Sơ đồ mô đường ống phụ tải Kết mô điều khiển lưu lượng có hình dạng hình 4.16 Hình 4.16 Sơ đồ mô điều khiển lưu lượng Kết mô điều khiển áp lực có hình dạng hình 4.17 44 Chương Tổng hợp hệ thống điều khiển mô Hình 4.17 Sơ đồ mô điều khiển áp lực Kết mô lưu lượng bơm lưu lượng tiêu thụ có hình dạng hình 4.18 Hình 4.18 Sơ đồ mô lưu lượng bơm lưu lượng tiêu thụ 45 Chương Tổng hợp hệ thống điều khiển mô Kết mô áp lực có hình dạng hình 4.19 Hình 4.19 Sơ đồ mô áp lực Kết mô tốc độ động có hình dạng hình 4.20 Hình 4.20 Sơ đồ mô tốc độ động 46 Chương Tổng hợp hệ thống điều khiển mô 47 Kết luận KẾT LUẬN Qua thời gian làm đồ án tốt nghiệp với đề tài “ Nghiên cứu hệ thống điều khiển trạm bơm nước sạch” trụ sở Bộ Công an giúp emtổng hợp kiến thức học trường Đại học Bách khoa Hà Nội, từ vận dụng lý thuyết để áp dụng vào thực tiễn Nhờ kiến thức truyền thụ từ thầy cô trường, giúp đỡ bạn, nghiêm túc học tập thân đặc biệt kiến thức từ hướng dẫn tận tình thầy giáo Nguyễn Mạnh Tiến em hoàn thành đồ án Trong đồ án em nêu lên vấn đề: Cấu tạo đặc tính máy bơm Điều khiển tần số động không đồng xoay chiều ba pha Xây dựng hệ thống điều khiển lưu lượng áp lực Tổng hợp hệ thống điều khiển mô Các vẽ Tuy nhiên, thời gian có hạn kiến thức hạn chế, đồ án em không tránh khỏi thiếu xót kính mong giúp đỡ bảo thầy cô để đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Mạnh Tiến thầy cô môn Tự động hóa toàn thể bạn giúp em vượt qua khó khăn thử thách suốt thời gian học tập hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Mạnh Tiến –Vũ Quang Hồi (2002), Trang bị điện- điện tử máy gia công kim loại, NXB GD Hà Nội Bùi Quốc Khánh- Nguyễn Văn Liễn- Nguyễn Thị Hiền (2004), Cơ sở Truyền động điện, NXB KHKT Hà Nội Bùi Quốc Khánh- Nguyễn Văn Liễn- Phạm Văn Hải- Dương Văn Nghi(2009), Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB KHKT Hà Nội Lê Văn Danh (2011), Điện tử công suất, NXB KHKT Hà Nội www/ Tailieu.vn 49 ... thống điều khiển trạm bơm nước sạch trụ sở Bộ Công an Đồ án em đề cập đến vấn đề sau: Cấu tạo đặc tính máy bơm Điều khiển tần số động không đồng xoay chiều ba pha Xây dựng hệ thống điều khiển. .. ổn định áp suất đường ống cấp nước tiết kiệm lượng thông qua hệ thống điều khiển tự động trạm bơm nước 1.1 Máy bơm 1.1.1.Cấu tạo Hình 1.1 Máy bơm trục đứng Máy bơm loại máy thủy lực, nhận lượng... đặc trưng cho bơm hỗn hợp bơm dọc trục Q Hình 1.2.Các đặc tính bơm 1.2 Nguyên lý điều chỉnh lưu lượng Trạm bơm có hai máy bơm bơm để cấp nước vào đường ống chung Áp lực lưu lượng nước thay đổi