Nghiên cứu hệ thống điều khiển trạm bơm nước sạch”

Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: “ Nghiên cứu hệ thống điều khiển trạm bơm nước sạch” Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Mạnh Tiến Sinh viên thực hiện: Phạm Xuân Thủy I Nội dung thuyết minh Tìm hiểu máy bơm Điều khiển tần số động không đồng xoay chiều ba pha Xây dựng hệ thống điều khiển lưu lượng áp lực Mô hệ thống trạm bơm II Nội dung vẽ Lời cam đoan CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Kính gửi: - Phòng Đào tạo, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Viện điện, môn Tự động hóa, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Hội đồng bảo vệ tốt nghiệp Tên em là: Phạm Xuân Thủy, sinh viên chuyên nghành Tự động hóa XHCN, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, khóa 2010- 2014 Em xin cam đoan thực trình làm đồ án tốt nghiệp cách khoa học, xác trung thực Các kết quả, 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 25/11/2014 Sinh viên Phạm Xuân Thủy 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 đặc biệt 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 Đây mốc quan trọng để kiểm tra đánh giá kiến thức em suốt trình đào tạo trường, đồng thời đánh giá khả vận dụng lý thuyết học để áp dụng vào thực tế Trong trình làm đồ án em nghiêm túc vận dụng kiến thức sẵn có thân, kiến thức học từ bạn, thầy cô trường 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 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………… NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………… Mục lục MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU TRANG CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ MÁY BƠM…………………………………………… 1.1 M áy bơm ……………………………………………………………………… .1 1.1.1 Cấu tạo…………………………………………………………………… 1.1.2 Nguyên lý hoạt động……………………………………………………… 1.1.3 Đặc tính kỹ thuật…………………………………………………………… 1.2 Nguyên lý điều chỉnh lưu lượng……………………………………………… 1.2.1 Điều chỉnh tiết lưu………………………………………………… 1.2.2 Điều chỉnh cách thay đổi vòng quay……………………………… CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA……………………………………………………………………………………… 2.1 Cấu tạo………………………………………………………………………… 2.2 Nguyên lý hoạt động………………………………………………………… 2.3 Đặc tính động không đồng bộ……………………………………… 2.4 Nguyên lý điều chỉnh tần số……………………………………………… 2.4.1 Quy luật điều khiển tần số bản……………………………………… 2.4.2 Luật điều khiển từ thông khe hở không đổi…………………………… 2.5 Bộ biến tần………………………………………………………………… 2.5.1 Biến tần trực tiếp………………………………………………………… 2.5.2 Biến tần gián tiếp……………………………………………………… 2.5.3 Mạch nghịch lưu ba pha PMW…………………………………………… CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG VÀ ÁP LỰC… 3.1 Thiết lập sơ đồ khối mô tả hoạt động……………………………… 3.1.1 Sơ đồ khối……………………………………………………………… 3.1.2 Mô tả hoạt động……………………………………………………… 3.1.3 Chọn thiết bị……………………………………………………………… 3.2 Lưu lượng máy bơm…………………………………………………… 3.3 Cột áp máy bơm………………………………………………………… CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRẠM BƠM…………………………… 4.1 Xây dựng sơ đồ cấu trúc…………………………………………………… 4.1.1 Cấu trúc động cơ……………………………………………………… 4.1.2 Cấu trúc biến tần………………………………………………………………… 4.1.3 Cấu trúc bơm……………………………………………………… Mục lục 4.1.4 Cấu trúc Đường ống…………………………………………………… 4.1.5 Cảm biến đo áp lực……………………………………………………… 4.1.6 Cảm biến đo lưu lượng…………………………………………………… 4.2 Tổng hợp điều khiển……………………………………………………… 4.2.1 Bộ điều khiển lưu lượng…………………………………………………… 4.2.2 Bộ điều khiển áp lực………………………………………………………… KẾT LUẬN……………………………………………………………………………… TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………… LỜI CAM ĐOAN………………………………………………………………………… Chương 1: Tìm hiểu máy bơm CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ MÁY BƠM 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 Bánh công tác: kết cấu có dạng cánh mở hoàn toàn, mở phần cánh kín Bánh công tác lắp 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 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 Chương 1: Tìm hiểu máy bơm Bộ phận dẫn hướng vào Bộ 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 Hạt nước nằm đĩa tròn phẳng quay chịu tác dụng lực ly tâm dịch chuyển dần từ tâm phía 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 Trước máy bơm làm việc cần làm cho thân bơm có bánh công tác ống hút điền đầy nước thường gọi mồi bơm Quá trình đẩy bơm máy bơm làm việc, bánh công tác quay, phần tử chất lỏng bánh công tác ảnh hưởng lực ly tâm văng chuyển động theo máng dẫn vào ống đẩy với áp suất cao Quá trình hút bơm lối vào bánh công tác tạo nên vùng có chân không Dưới tác dụng áp suất bể chứa lớn lối vào máy bơm nước, chất lỏng bể hút liên tục đẩy vào bơm theo ống hút Quá trình đẩy hút bơm liên tục tạo thành dòng chảy liên tục qua bơm Bộ phận dẫn hướng thường có dạng xoắn ốc dẫn chất lỏng từ bánh công tác ống đẩy ổn định 1.1.3 Đặc tính kỹ thuật: Phụ thuộc chủ yếu vào hiệu suất vòng quay, hình dạng đặc tính thể ( Hình 1.2) Bơm có suất vòng quay cao trung bình có 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 có dạng cong đường công suất có chiều hướng giảm tăng suất Loại đặc trưng cho bơm hỗn hợp bơm dọc trục N N nn HH H N n Q QQ Suất vòng quay caobình Suất vòng quay thấp Suất vòng quay trung Q N n Chương 1: Tìm hiểu máy bơm H Q Đường cong xâm thực Q Kiểu dòng hỗn hợp H Đường cong cột áp đầu hút Hình 1.2.Các đặc tính bơm 1.2 Nguyên lý điều chỉnh lưu lượng 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 10 Q CB Chương 3: Xây dựng hệ thống điều khiển lưu lượng áp lực Q1 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG VÀ ÁP LỰC 3.1 Thiết lập sơ đồ khối mô tả hoạt động 3.1.1 Sơ đồ khối P = 7,5 ÷ 10,5 KW Ô1 Ô2 CB Q2 Q Q* Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển trạm bơm nước 3.1.2 Mô tả hoạt động Khi khóa van bán dẫn mở ra, đường ống nước bắt đầu có áp lực , Q1* qua khâu phân phối PP để chảy qua hai đường ống Trên đường ống : Cảm biến biến tần nhận tín hiệu lưu lượng Q2* nước điều khiển động chạy máy bơm bắt đầu bơm nước chảy vào đường ống chung Trên đường ống : Cảm biến biến tần nhận tín hiệu lưu lượng Q2 nước điều khiển động chạy máy bơm bắt đầu bơm nước chảy vào đường ống chung Trong thực tế có ba máy bơm, điều khiển trang thiết bị RQ1 máy để dự phòng nên đồ án ta đề cập đến trình hoạt động hai máy bơm PP Thời điểm hoạt động hai máy bơm tùy theo áp lực lưuRplượng nước đường ống, phù hợp với lượng nước sử dụng RQ2 Khi áp suất đường ống 7,5 AT hai bơm chạy Khi áp suất đường ống đạt đến 10,5 AT hai bơm dừng lại 30 Chương 3: Xây dựng hệ thống điều khiển lưu lượng áp lực 3.1.3 Chọn thiết bị ( chọn biến tần SV- IG5A) Cấu tạo Hình 3.2 Cấu tạo biến tần SV- IG 5A Chức phím bấm hình RUN - bấm để chạy động STOP - bấm để dừng hoạt động RESSET- để reset lại lỗi xuất - phím lên, sử dụng để cuộn mã tăng giá trị thông số - phím xuống sử dụng để cuộn mã giảm giá trị thông số - phím phải sử dụng để nhảy tới nhóm thông số khác di chuyển trỏ sang phải để thay đổi giá trị thông số - phím trái sử dụng để nhảy tới nhóm thông số khác di chuyển trỏ sang trái để thay đổi giá trị thông số - phím Enter sử dụng để đặt lưu giá trị thông số PWD- phím chạy thuận, sáng chạy thuận REV - phím chạy ngược, sáng chạy ngược RUN – phím chạy, sáng hoạt động SET – phím cài đặt, sáng cài đặt thông số 31 Chương 3: Xây dựng hệ thống điều khiển lưu lượng áp lực Hình 3.2 Cấu tạo biến tần SV-IG5A R, S, T kết nối với ba pha đầu vào AC U, V, W kết nối với ba pha động Đầu vào số: tham số từ đến để điều khiển động - Động chạy thuận - Động chạy ngược 32 Chương 3: Xây dựng hệ thống điều khiển lưu lượng áp lực -Tín hiệu đầu vào chung - Dừng khẩn cấp - Reset lỗi - Chạy Jog - Mở rộng tần số bước- thấp - Mở rộng tần số bước- trung bình Mở rộng tần số bước- cao Đầu vào tương tự: Là tham số VR, I, CM để điều khiển tần số VR- 10v nguồn cấp cho biến trở - Đầu vào tín hiệu điện áp I - Đầu vào tín hiệu dòng điện Tham số đầu Là tham số AM, CM (đầu tín hiệu analog ), 3A, 3B, 3C để báo trạng thái làm việc biến tần động Các tham số MO, MG, S+, S, báo thông số biến tần động Chức đầu vào đầu thay đổi tham số để đặt chế độ làm việc tùy theo biến tần 3.2.3 Lưu lượng máy bơm Hình 3.3 Đồng hồ đo lưu lượng nước Sinier Để xác định lưu lượng máy bơm ta tính tổng đương lượng thiết bị dùng nước Từ kết hợp với tiêu chuẩn dùng nước tòa nhà ta tra lưu lượng (xem TCVN- 4513- 1988) Lưu lượng: 3.2.4 Cột áp máy bơm H - Cột áp máy bơm - Tổn thất áp lực - Cao độ hình học trục máy bơm điểm bất lợi (4m) – Áp lực tự đầu vòi điểm bất lợi 33 Chương 3: Xây dựng hệ thống điều khiển lưu lượng áp lực Dựa vào sơ đồ nguyên lý cấp nước tòa nhà ta đo điểm bất lợi nghĩa điểm cao với độ cao là: 82 mét m Vậy ta biết thông số kỹ thuật bơm sau: Lưu lượng bơm là: : Cột áp bơm là: 980.000 PA Đầu đẩy bơm: Chọn ; 1000i = 24.3 Đường ống hút chung chọn: D = 100mm Thông số kỹ thuật động là: 7,5 kw = 7500 w v A f = 50 Hz 0,89 = 34 Chương : Mô hệ thống trạm bơm Đo Q CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRẠM BƠM 4.1 Xây dựng sơ đồ cấu trúc Đo P Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống trạm bơm 4.1.1 Cấu trúc động Tuyến tính hóa phương trình: Từ suy ra: (1) Từ suy ra: (2) Phương trình chuyển động: (3) Phương trình mạch stato: 35 Chương : Mô hệ thống trạm bơm Biến đổi Laplace (4) Từ phương trình: (1); (2); (3); (4) ta có sơ đồ sau: ( A (+) B Hình 4.2 Sơ đồ cấu trúc động 4.1.2 Cấu trúc biến tần Hàm truyền biến tần Hàm truyền luật điều khiển 36 () Chương : Mô hệ thống trạm bơm Từ hàm truyền biến tần hàm truyền luật điều khiển ta có sơ đồ sau: Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc biến tần 4.1.3 Cấu trúc bơm -Rất nhỏ, vài giây Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc bơm 4.1.4 Cấu trúc đường ống Hàm truyền đường ống: () 37 Chương : Mô hệ thống trạm bơm Hình 4.5 sơ đồ cấu trúc đường ống 4.1.5 Cảm biến đo áp lực 4.1.6 Cảm biến đo lưu lượng 38 Chương : Mô hệ thống trạm bơm () A () () B () PP PP () () A () () B PP 39 () Chương : Mô hệ thống trạm bơm ình 4.6 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 sau: A () Hình 4.7 Bộ điều khiển lưu lượng Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: Chứng minh: Hàm tối ưu đối xứng () 40 Chương : Mô hệ thống trạm bơm Thay , vào: Chọn ta được: 4.2.2 Bộ điều khiển áp lực Hàm truyền 41 Chương : Mô hệ thống trạm bơm Áp dụng công thức tối ưu đối xứng: Bỏ qua chọn 42 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 em tổng 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: Tìm hiểu máy bơm Điều khiển tần số động không đồng xoay chiều ba pha Xây dựng hệ thống điều khiển lưu lượng áp lực Mô hệ thống trạm bơm 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 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất : Phạm Quốc Hải Cơ sở Truyền động điện : Bùi Quốc Khánh- Nguyễn Văn Liễn Điều chỉnh tự động Truyền động điện: Bùi Quốc Khánh- Nguyễn Văn Liễn Trang bị điện: Nguyễn Mạnh Tiến Phạm Quốc Hải- Dương Văn Nghi 44 ... lên nhanh, cấp đủ nước sinh hoạt cho tòa nhà nhiệm vụ đặc biệt 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... 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... DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG VÀ ÁP LỰC 3.1 Thiết lập sơ đồ khối mô tả hoạt động 3.1.1 Sơ đồ khối P = 7,5 ÷ 10,5 KW Ô1 Ô2 CB Q2 Q Q* Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển trạm bơm nước