Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ДЛЯ НАСОСНОЙ СИСТЕМЫ, СОДЕРЖАЩЕЙ УСТРОЙСТВО ПЛАВНОГО ПУСКА

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу, компьютерной программе и компьютерному программному продукту для управления схемой устройства плавного пуска для управления электрическим двигателем для приведения в действие насоса, к устройству плавного пуска для управления электрическим двигателем для приведения в действие насоса и к насосной системе, содержащей устройство плавного пуска.

Уровень техники

Пользователи насосов всегда искали варианты снижения эксплуатационных расходов. Существенные расходы за срок эксплуатации обуславливаются низкой производительностью, неожидаемым временем простоя и необходимостью профилактического обслуживания.

В насосной системе, которая может использоваться для откачки воды или сточных вод в различных установках, работой насоса управляет устройство плавного пуска. Проблемы, которые могут возникнуть в такой системе, включают в себя заклинивание насосов и засорение трубопроводов. Заклинивание возникает, когда достаточно большой твердый объект, например пластиковая или деревянная деталь, застревает в лопастях насоса. Засорение возникает, когда откачиваемая жидкость содержит малые твердые частицы и фильтрат, который со временем осаждается и становится постоянно скрепленным с внутренними стенками трубопроводов и создает затруднения для протекания жидкости. И заклинивание, и засорение снижают производительность насосов и могут со временем даже привести к повреждению насоса.

Раскрытие изобретения

Решения проблемы включают в себя ручные операции или использование управления насосами с частотным преобразователем, выполненным с возможностью выполнения автоматической очистки насоса. Однако такие решения представляются трудоемкими, сложными и/или дорогостоящими. Для электрических двигателей с управлением посредством устройства плавного пуска в настоящее время не существует удачных решений проблемы.

Задача настоящего изобретения состоит в создании способа управления схемой устройства плавного пуска для управления электрическим двигателем для приведения в действие насоса, посредством которого по меньшей мере некоторые из вышеупомянутых проблем и недостатков могут быть уменьшены, и тем самым появляется возможность выполнения профилактического обслуживания.

Другая задача изобретения состоит в создании такого способа, который является надежным, удобным, точным, прецизионным, эффективным, недорогим и простым в осуществлении.

Другая задача настоящего изобретения состоит в создании компьютерной программы и компьютерного программного продукта для выполнения способа, решающего вышеупомянутые задачи.

Другая задача настоящего изобретения состоит в создании устройства плавного пуска для управления электрическим двигателем для приведения в действие насоса, причем устройство плавного пуска включает в себя устройство управления, пригодное для выполнения способа, решающего вышеупомянутые задачи.

Другая задача настоящего изобретения состоит в создании насосной системы, содержащей устройство плавного пуска, решающее вышеупомянутые задачи.

Эти задачи, среди прочего, решаются способами, компьютерной программой, компьютерным программным продуктом, устройством плавного пуска и насосной системой, определенными в прилагаемой формуле изобретения.

В одном аспекте предложен способ управления схемой устройства плавного пуска для управления электрическим двигателем для приведения в действие насоса, причем схема электрически соединяет двигатель с электрической сетью. Способ содержит (i) управление схемой устройства плавного пуска для ускорения двигателя до полной скорости в прямом направлении; (ii) управление схемой устройства плавного пуска для замедления двигателя, когда двигатель работает с полной скоростью в прямом направлении в течение первого периода времени; (iii) управление схемой устройства плавного пуска для ускорения двигателя до заданной скорости в обратном направлении; и (iv) управление схемой устройства плавного пуска для замедления двигателя, когда двигатель работает с заданной скоростью в обратном направлении в течение второго периода времени, причем этапы (i)-(iv) повторяются один или более раз. Двигатель может поддерживаться в обесточенном состоянии в течение некоторого времени между каждым замедлением в одном направлении, с последующим ускорением в противоположном направлении.

Посредством вышеупомянутого аспекта нежелательные твердые объекты (предметы) в насосной системе, в которой содержится двигатель, эффективно разрезаются лопастями насосов, и сточные остатки смываются. Решение имеет малую стоимость, и при этом автоматическая очистка может выполняться с использованием плавного пуска для управления нормальной работой двигателя.

Тем самым, можно быть уверенным, что эффективность насоса увеличивается и риск повреждения насоса со временем снижается.

Хотя способ может выполняться автоматически, например, в ответ на автоматически принятый или измеренный набор параметров, связанных с работой двигателя и/или указывающих, что двигатель не работает эффективно, например, вследствие заклинивания или состояния засоренности в насосной системе, в которой содержится двигатель, он может быть в качестве альтернативы выполнен в ответ на ручную команду оператора, принятую от оператора насосной системы.

В одном варианте выполнения двигатель представляет собой трехфазный двигатель, электрически соединенный с трехфазной электрической сетью, и устройство плавного пуска представляет собой двухфазное или трехфазное устройство плавного пуска, выполненное с возможностью управления двигателем, и вышеупомянутым этапам (iii) и (iv), то есть управлению схемой устройства плавного пуска для приведения в действие насоса в обратном направлении, может предшествовать соединение электрических соединений двух из трех фаз сети с трехфазным двигателем, и за ними может следовать переключение назад электрических соединений тех же самых двух фаз электрической сети к трехфазному двигателю.

Соединение и переключение назад могут быть выполнены посредством действия двух линейных контакторов, осуществляющих соединение между электрической сетью и схемой устройства плавного пуска.

Таким образом, предложен простой и надежный способ управления, который позволяет сделать скорость в обратном направлении подобной полной скорости в прямом направлении.

В другом варианте выполнения вышеупомянутые этапы (iii) и (iv), то есть управление схемой устройства плавного пуска для приведения в действие насоса в обратном направлении, могут быть выполнены посредством управления схемой устройства плавного пуска для работы в режиме малой скорости, - функциональные возможности, которые обычно обеспечиваются некоторыми из доступных в настоящее время на рынке устройств плавного пуска. Режим малой скорости может позволить сделать скорость в обратном направлении приблизительно до 1/3 от полной скорости в прямом направлении.

Таким образом, предложен простой, экономически эффективный и надежный способ управления, который не требует наличия и использования двух внешних линейных контакторов.

Еще в одном варианте выполнения вышеупомянутые этапы (iii) и (iv), то есть управление схемой устройства плавного пуска для работы насоса в обратном направлении, могут быть выполнены посредством управления схемой устройства плавного пуска, используя векторное управление потоком данных, при необходимости используя оценку электромагнитного крутящего момента и пропорционально-интегральное (PI) регулирование.

Таким образом, предложен способ управления, который позволяет сделать скорость в обратном направлении подобной полной скорости в прямом направлении и который не требует наличия и использования двух внешних линейных контакторов. Чтобы двигатель следовал основному заданному циклу очистки, таким образом, может быть осуществлено управление с замкнутым контуром, где углы открывания тиристоров регулируются, применяя точно оцененный электромагнитный крутящий момент в качестве обратной связи.

В другом аспекте предложено устройство плавного пуска для управления электрическим двигателем для приведения в действие насоса, содержащее схему, которая электрически соединяет двигатель с электрической сетью и устройством управления, включающим в себя процессор, компьютерную программу и средство памяти, в котором сохраняется компьютерная программа.

Компьютерная программа содержит команды, которые при выполнении процессором побуждают устройство управления (i) управлять схемой устройства плавного пуска для ускорения двигателя до полной скорости в прямом направлении; (ii) управлять схемой устройства плавного пуска для замедления двигателя, когда двигатель работает с полной скоростью в прямом направлении в течение первого периода времени; (iii) управлять схемой устройства плавного пуска для ускорения двигателя до заданной скорости в обратном направлении; (iv) управлять схемой устройства плавного пуска для замедления двигателя, когда двигатель работает с заданной скоростью в обратном направлении в течение второго периода времени; и (v) повторять этапы (i)-(iv) один или более раз.

Также в других аспектах предложены раскрытая выше компьютерная программа; компьютерный программный продукт, содержащий компьютерную программу, и компьютерное средство памяти, на котором сохраняется компьютерная программа; и насосная система, содержащая раскрытое выше устройство плавного пуска.

Дополнительные характеристики изобретения и его преимущества будут очевидны из приведенного ниже подробного описания предпочтительных вариантов выполнения настоящего изобретения и сопровождающих чертежей на Фиг.1-3, которые приводятся только в качестве иллюстрации и, таким образом, не ограничивают настоящее изобретение.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 изображает схематично главные компоненты устройства плавного пуска, электрически соединяющего электрический двигатель для приведения в действие насоса с электрической сетью.

Фиг.2 – схематичное изображение некоторых компонентов трехфазного устройства плавного пуска, причем выделено соединение двух линейных контакторов трехфазного устройства плавного пуска.

Фиг.3 – блок-схема способа управления схемой устройства плавного пуска для управления электрическим двигателем для приведения в действие насоса.

Осуществление изобретения

На Фиг.l схематично показаны основные компоненты устройства 11 плавного пуска, электрически соединяющего электрический двигатель 12 для приведения в действие насоса с электрической сетью 13. Устройство 11 плавного пуска содержит блок 11a плавного пуска и два факультативных линейных контактора 19 и 20.

Блок 11a плавного пуска, в свою очередь, содержит схему 14 и устройство 15 управления. Схема 14 электрически соединена между двигателем 12 и электрической сетью 13 и содержит обычно преобразователь АС/АС (переменный ток-переменный ток), включающий в себя несколько линий, которые соответствуют числу фаз двигателя 12 и электрической сети 13. Каждая линия содержит обычно однонаправленные полупроводниковые переключатели, такие как, например, тиристоры, соединенные антипараллельно, а также датчики для измерения трехфазных напряжений и токов. Схема 14 может быть электрически соединена с двигателем 12 в последовательной конфигурации или в конфигурации треугольника.

Устройство 15 управления соединено при функционировании со схемой 14 и включает в себя процессор 16, средство 17 памяти и компьютерную программу 18, которая сохраняется в средстве 17 памяти. Устройство 15 управления принимает распознаваемые напряжения и/или токи от датчиков и управляет однонаправленными полупроводниковыми переключателями так, что они включаются или приводятся в действие в ответ на распознаваемые напряжения и/или токи. Переключение управляет напряжением и током, подаваемыми на двигатель 12, тем самым создавая электромагнитный крутящий момент в двигателе 12.

Устройство 15 управления может быть сформировано на одной печатной монтажной плате или на множестве плат. Средство 17 памяти может быть отдельным от процессора 16 или оно может быть интегрировано в одну микросхему микроконтроллера.

Следует отметить, что схема 14 может в качестве альтернативы или дополнения содержать другие компоненты для распознавания или определения параметров, относящихся к электрическому полю в двигателе 12, или быть соединенной с ними.

На Фиг.2 схематично показаны некоторые компоненты трехфазного устройства 11 плавного пуска, причем выделено соединение двух линейных контакторов 19 и 20 трехфазного устройства 11 плавного пуска. Можно видеть, что когда линейный контактор 19 замкнут и линейный контактор 20 разомкнут, три фазы 21, 22, 23 электрической сети 13 электрически соединяются с тремя линиями 24, 25, 26 схемы 14 блока 11a плавного пуска, то есть фаза 21 соединяется с линией 24, фаза 22 соединяется с линией 25 и фаза 22 соединяется с линией 25. Когда линейный контактор 20 замкнут, и линейный контактор 19 разомкнут, электрические подсоединения двух 21, 23 из трех фаз 21, 22, 23 электрической сети 13 к схеме 14 блока 11a плавного пуска переключены, то есть фаза 21 соединена с линией 26, фаза 22 соединена с линией 25 и фаза 22 соединена с линией 24. Два линейных контактора 19 и 20 трехфазного устройства 11 плавного пуска никогда не должны быть замкнуты одновременно. Хотя на Фиг.2 приведен только пример, линейные контакторы могут быть выполнены с возможностью переключения любых двух из трех фаз.

Тем самым, устройство 11 плавного пуска может быть выполнено с возможностью обеспечения работы двигателя 12 на полной скорости и в прямом направлении (линейный контактор 19 замкнут и линейный контактор 20 разомкнут), и в обратном направлении (линейный контактор 20 замкнут и линейный контактор 19 разомкнут). Работой двух линейных контакторов 19 и 20 автоматически управляет устройство 15 управления. Для этого устройство 15 управления соединено при функционировании с линейными контакторами 19 и 20.

В качестве альтернативы предусмотрены цифровые вводы, позволяющие устройству 11 плавного пуска запустить двигатель 12 на полной скорости в прямом направлении или в обратном направлении в ответ на ручные команды оператора, принятые от оператора насосной системы, в которой содержится двигатель 12.

В качестве альтернативы или дополнения устройство 11 плавного пуска содержит такие функциональные возможности, чтобы позволить запустить его в режиме малой скорости в обратном направлении, тем самым позволяя двигателю 12 запуститься в обратном направлении со скоростью приблизительно до 1/3 полной скорости в прямом направлении. Такие функциональные возможности режима малой скорости обеспечены в доступных на рынке устройствах плавного пуска.

В качестве альтернативы или дополнения, блок 11a плавного пуска содержит такие функциональные возможности, позволяющие устройству 15 управления управлять схемой 14 блока 11a плавного пуска, используя векторное управление потоком данных, при необходимости используя оценку электромагнитного крутящего момента и пропорционально-интегральное (PI) регулирование, тем самым позволяя двигателю 12 запускаться в обратном направлении со скоростью, подобной полной скорости в прямом направлении.

Векторное управление потоком данных раскрыто в заявке WO 2011/057660 А1, причем раскрыт способ для создания электромагнитного крутящего момента желаемого знака и регулируемого значения при минимальном обеспечении аппаратными средствами, особенно подходящий для индукционных двигателей с приводом от блока плавного пуска. Содержание упомянутой публикации настоящим включено в данный документ путем ссылки.

Двигатель 12 содержится в насосной системе, которая может использоваться для откачки воды или сточных вод при различных проблемах установок, которые могут возникнуть в таких системах, включая заклинивание насосов и засорение трубопроводов. Заклинивание происходит, когда достаточно большой твердый объект наподобие пластиковых или деревянных деталей застревает в лопастях насосов. Засорение происходит, когда откачиваемая жидкость содержит малые частицы и фильтраты, которые со временем осаждаются и прочно прикрепляются к внутренним стенкам трубопроводов и приводят к проблемам в протекании жидкости, которые могут со временем привести к повреждению насоса.

Устройство 11 плавного пуска может содержать различные средства распознавания для распознавания состояний, вызванных заклиниванием и засорением, или быть соединенным с ними при функционировании. Эти средства распознавания могут включать в себя средство для распознавания электрических параметров, относящихся к двигателю 12 или к самому устройству 11 плавного пуска, и/или внешнее средство распознавания для распознавания параметров, относящихся к потоку жидкости, трубопроводам и/или насосу.

Обычно средство 17 памяти, или любая другая память, может хранить компьютерную программу 18, которая может содержать код компьютерной программы, или команды, которые при выполнении процессором 16 побуждают устройство 15 управления выполнять любой из раскрытых ниже способов.

На Фиг.3 показана схема способа или алгоритма для управления схемой устройства плавного пуска для управления электрическим двигателем для приведения в действие насоса, например схемой 14 устройства 11 плавного пуска, раскрытого выше, для очистки насоса. Посредством способа нежелательные твердые объекты в насосной системе, в которой содержится двигатель, эффективно разрезаются лопастями насоса, и сточный остаток смывается с внутренних стенок трубопроводов.

Переменная i на этапе 31 устанавливается как единица, и схема устройства плавного пуска на этапе 32 задает запуск или ускорение двигателя до полной скорости в прямом направлении. Это достигается применением обычного пилообразного сигнала напряжения (с коротким временем линейного нарастания напряжения) для мягкого запуска двигателя, но быстро, до полного напряжения и скорости. Двигатель работает с полной скоростью в течение первого периода времени.

Затем схема устройства плавного пуска на этапе 33 задает торможение или замедление двигателя, когда двигатель работает с полной скоростью в прямом направлении в течение первого периода времени.

Затем схема устройства плавного пуска на этапе 34 задает запуск или ускорение двигателя до заданной скорости в обратном направлении. Двигатель работает с этой скоростью в обратном направлении в течение второго периода времени.

После этого схема устройства плавного пуска на этапе 35 задает торможение или замедление двигателя, когда двигатель работает с заданной скоростью в обратном направлении в течение второго периода времени.

Алгоритм продолжается, контролируя, равна ли переменная i значению N, где N - ряд положительных целых чисел, равных или больших двух.

Если i=N (что все же не может иметь место, поскольку переменная i изначально устанавливается как 1 на этапе 31), то алгоритм заканчивается. В противном случае, переменная i на этапе 37 увеличивается на единицу, алгоритм возвращается на этап 32, и этапы 32-36 повторяются. Если N равен двум, то алгоритм закончится после этого, но если N будет больше, то этапы 37 и 32-36 будут повторяться до тех пор, пока переменная i не станет равной N. Переменная i, таким образом, обозначает текущий цикл очистки, и N обозначает число циклов очистки, которые должны быть выполнены. Значение N может быть между двумя и пятью или выше.

На этапе 33 схемой устройства плавного пуска можно управлять, чтобы замедлить двигатель до обесточенного состояния, которое может соответствовать остановленному двигателю, и на этапе 34 схемой устройства плавного пуска можно управлять, чтобы ускорить двигатель до заданной скорости в обратном направлении только, когда двигатель был обесточен на некоторое время.

Аналогичным образом, на этапе 35 схемой устройства плавного пуска можно управлять, чтобы замедлить двигатель до обесточенного состояния, и на этапе 31 схемой устройства плавного пуска можно управлять, чтобы ускорить двигатель до полной скорости в прямом направлении только, когда двигатель был обесточен на некоторое время.

Каждый период времени, в котором двигатель работает с постоянной скоростью, или обесточен, может быть между значениями 0,5 и 60, или одной и пятью, или одной и десятью секундами.

Алгоритм может быть выполнен в ответ на одну или более ручных команд оператора, полученных от оператора насосной системы, в которой содержится двигатель. Например, ручные команды могут определять, сколько циклов очистки должно быть выполнено и, при необходимости, как именно они должны быть выполнены (например, линейное временное изменение оборотов, периоды времени, скорости), и дополнительно ручная команда инициализирует способ выполняемой очистки.

Также в качестве альтернативы способ может выполняться автоматически, например в ответ на автоматически принятый или измеренный набор параметров, связанных с работой двигателя, например, в ответ на автоматически принятый или измеренный набор параметров, указывающих, что двигатель не работает эффективно, например, из-за заклинивания или состояния засоренности в насосной системе, в которой содержится двигатель.

Также в качестве альтернативы способ может выполняться автоматически, например в ответ на заданную схему технического обслуживания.

Кроме того, способ может быть выполнен с различными параметрами настройки (например, линейное временное изменение оборотов, периоды времени, скорости, без циклов), различными временами или в ответ на различные состояния.

В одном варианте выполнения двигатель представляет собой трехфазный двигатель, электрически соединенный с трехфазной электрической сетью, и устройство плавного пуска представляет собой трехфазное устройство плавного пуска, выполненное с возможностью управления трехфазным двигателем, например, как раскрыто на Фиг.2. Этапам 34 и 35 (например, управлению схемой устройства плавного пуска для работы двигателя в обратном направлении) может предшествовать соединение электрических соединений двух из трех фаз электрической сети с трехфазным двигателем, и за ними может следовать переключение назад электрических соединений тех же самых двух фаз электрической сети на трехфазный двигатель. Соединение и переключение назад могут быть выполнены посредством управления двумя линейными контакторами, соединенными между трехфазной электрической сетью и схемой устройства плавного пуска, такими как линейные контакторы 19 и 20, показанные на Фиг.2.

Использование линейных контакторов для получения полной скорости в обратном направлении в соответствии с изобретением может быть реализовано или с двухфазными блоками плавного пуска, или с трехфазными блоками плавного пуска.

В данном случае скорость двигателя в обратном направлении может быть подобной полной скорости в прямом направлении.

В другом варианте выполнения этапы 34 и 35 могут быть выполнены посредством управления схемой устройства плавного пуска для работы в режиме малой скорости, как раскрыто выше. В данном случае скорость двигателя в обратном направлении может быть приблизительно до 1/3 полной скорости в прямом направлении.

Еще в одном варианте выполнения этапы 34 и 35 могут быть выполнены посредством управления схемой устройства плавного пуска, используя векторное управление потоком данных, при необходимости используя оценку электромагнитного крутящего момента и пропорционально-интегральное (PI) регулирование. Магнитный поток и ток двигателя могут определяться непрерывно, чтобы определить моменты времени, в которых тиристоры должны быть активизированы для двигателя, чтобы создавать только положительный электромагнитный крутящий момент или только отрицательный электромагнитный крутящий момент для двигателя в зависимости от того, должен ли двигатель работать в прямом или обратном направлении.

В данном случае скорость двигателя в обратном направлении может быть подобной полной скорости в прямом направлении.

Следует отметить, что будет получена лучшая очистка насосов, если скорость двигателя будет высока и в прямом, и в обратном направлениях и если применяется резкое линейное нарастание оборотов (то есть быстрое ускорение и замедление двигателя). Для этого может оказаться предпочтительным, чтобы используемое для некоторых применений устройство плавного пуска имело запас относительно возможности токовой проводимости.

Изобретение относится также к компьютерному программному продукту, который может содержать компьютерную программу 18, раскрытую выше, и компьютерное средство памяти, на котором сохранена компьютерная программа 18, к серверу, который позволяет загрузить компьютерную программу, а также к самой компьютерной программе 18.