РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПОЖАРНОГО НАСОСА 1Д200-90А НА ОСНОВЕ ЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена исследованию эффективности внедрения частотного преобразователя в систему управления электроприводом пожарного насоса.

Ключевые слова: пожарный насос, электропривод, частотный преобразователь, пусковой ток, энергосбережение, вибрация, тепловой режим, надежность.

Введение. Электропривод пожарного насоса 1Д200-90А является критически важным элементом системы противопожарного водоснабжения, от надёжности и эффективности которого напрямую зависит безопасность людей и сохранность материальных ценностей. Традиционные методы управления такими насосами, такие как прямой пуск от сети и регулирование производительности методом дросселирования, обладают существенными недостатками. Чрезмерные пусковые токи (в 6-8 раз превышающие номинальные), ударные механические и гидравлические нагрузки, перерасход электроэнергии, повышенные вибрации и перегрев сокращают ресурс оборудования и повышают риск аварийных отказов в критический момент.

Внедрение частотных преобразователей (ЧП) представляет собой переход к качественно новой, энергетически и физически обоснованной парадигме управления. ЧП позволяет осуществлять плавный пуск и точно регулировать производительность насоса, изменяя скорость вращения вала в соответствии с реальным требуемым напором и расходом воды.

Цель работы: Оценка эффекта от применения частотного преобразователя в электроприводе пожарного насоса 1Д200-90А на основе методов компьютерного имитационного моделирования.

Задачи исследования:

1. Оценить снижение пусковых токов и механических нагрузок.
2. Определить потенциал экономии электроэнергии.
3. Проанализировать влияние на снижение вибрации и увеличение ресурса механической части.
4. Исследовать улучшение теплового режима электродвигателя.

Основная часть. Прямой пуск двигателя мощностью 90 кВт сопровождается броском тока до 800–1000 А (в 5-7 раз выше номинала), что вызывает просадки напряжения, ударные нагрузки на механические элементы и риск гидроударов. Частотный преобразователь реализует алгоритм плавного пуска с регулированием частоты и напряжения. Моделирование показало, что пиковый пусковой ток ограничивается уровнем 200 А (125% от номинала), что в 4,1 раза ниже, чем при прямом пуске (820 А) (Рис. 1). Момент на валу нарастает плавно, без колебаний, исключая ударные нагрузки на муфту, подшипники и рабочее колесо, что предотвращает возникновение гидроударов. Тем самым повышает надёжность системы электроснабжения, многократно увеличивая ресурс механических элементов привода.

Рисунок 1. Осциллограммы фазного тока двигателя пожарного насоса 1Д200-90А

В системах без ЧП регулирование производительности методом дросселирования или байпасирования приводит к работе насоса на номинальной скорости при неполной нагрузке, что сопровождается колоссальным перерасходом энергии. ЧП реализует принцип качественного регулирования, снижая скорость вращения двигателя в соответствии с реальной потребностью. Моделирование суточного цикла работы показало, что при использовании ЧП потребление энергии за 8 часов составило 273 кВт\ч против 684 кВт\ч в системе с дросселированием (Рис. 2). Чистая экономия достигла 411 кВт\ч, или 60,2% от исходного потребления. Это прямое снижение эксплуатационных затрат на электроэнергию и сокращение пиковой нагрузки на сеть.

Рисунок 2. Накопленное энергопотребление пожарного насоса 1Д200-90А за 8 часов

Высокий уровень вибрации – основной дестабилизирующий фактор, приводящий к ускоренному износу подшипников, уплотнений и других элементов. Моделирование виброускорения на подшипниковом узле показало, что применение ЧП снижает среднеквадратичное значение вибрации в установившемся режиме с 4,2 м/с² до 1,5 м/с², т.е. на 65%. Спектральный анализ подтвердил, что ЧП устраняет наиболее разрушительные низкочастотные гармоники (50 Гц, 100 Гц), перенося основную энергию возбуждения в высокочастотную область (около 4 кГц), которая безопасна для механических конструкций (Рис. 3).

Результат: Увеличение расчётного срока службы подшипников на 80–120%, снижение акустического шума на 10–15 дБА, рост общей надёжности.

Рисунок 3. Сравнение общего уровня вибрации пожарного насоса 1Д200-90А

Перегрев – одна из основных причин преждевременного старения изоляции и выхода двигателя из строя.

Тепловое моделирование продемонстрировало, что работа с ЧП на частичной нагрузке (70%) снижает установившуюся температуру обмотки статора с 145°C (режим, близкий к пределу для изоляции класса F) до безопасных 95°C (Рис. 4). Суммарные тепловые потери сокращаются в 2,3 раза. Снижение рабочей температуры на 50°C теоретически увеличивает срок службы изоляции в 32 раза.

Результат: Исключение риска аварийных отключений по перегреву, кардинальное повышение надёжности и коэффициента готовности пожарного насоса.

Рисунок 4. Тепловой режим электродвигателя пожарного насоса 1Д200-90А

Заключение

Проведенное комплексное имитационное моделирование в среде MATLAB/Simulink позволило дать количественную оценку многогранного эффекта от внедрения частотного преобразователя в электропривод пожарного насоса 1Д200-90А. Результаты работы однозначно демонстрируют, что переход от традиционных методов управления к частотному регулированию является не просто модернизацией, а кардинальным повышением технико-экономических и эксплуатационных характеристик всей системы противопожарного водоснабжения.

Список литературы:

1. ГОСТ Р 53325-2012. Техника пожарная. Технические средства пожарной автоматики. Общие технические требования и методы испытаний.
2. Электронный каталог [Электронный ресурс]: база данных содержит сведения о частотных преобразователях для насосов. URL: https://promsnabob.ru/avtomatika/chastotnye-preobrazovateli/dlya-nasosov-sistem-vodosnabzheniya/
3. Моделирование электромеханических систем в MATLAB/Simulink. Учебное пособие / Под ред. С.С. Сидорова. — СПб.: БХВ-Петербург, 2019.
4. ISO 10816-1:1995. Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts — Part 1: General guidelines.
5. Электронный каталог [Электронный ресурс]: база данных содержит сведения о насосе 1Д200-90А. URL: http://nasos.info/catalog.php?mode=view&id=6914