Acționare electrică a unităților de pompare cu frecvență

Modurile de funcționare ale pompelor centrifuge sunt cele mai eficiente din punct de vedere energetic de reglat prin modificarea vitezei de rotație a roților acestora. Viteza de rotație a roților poate fi modificată dacă se folosește o acționare electrică reglabilă ca motor de antrenare.
Designul și caracteristicile turbinelor cu gaz și motoarelor cu ardere internă sunt de așa natură încât pot oferi o modificare a vitezei de rotație în intervalul necesar.

Procesul de reglare a vitezei de rotație a fiecărui mecanism este analizat convenabil folosind caracteristicile mecanice ale dispozitivului.

Luați în considerare caracteristicile mecanice ale unei unități de pompare formată dintr-o pompă și un motor electric. În fig. 1 prezintă caracteristicile mecanice ale unei pompe centrifuge echipate cu supapă de reținere (curba 1) și un motor electric cu rotor cu colivie (curba 2).

Orez. 1. Caracteristicile mecanice ale unității de pompare

Diferența dintre valorile cuplului motorului electric și cuplul de rezistență al pompei se numește cuplu dinamic.Dacă cuplul motorului este mai mare decât momentul de rezistență al pompei, cuplul dinamic este considerat pozitiv, dacă este mai mic, este negativ.

Sub influența unui moment dinamic pozitiv, unitatea de pompă începe să funcționeze cu accelerație, adică. accelerează. Dacă cuplul dinamic este negativ, unitatea de pompă funcționează cu o întârziere, adică incetineste.

Când aceste momente sunt egale, are loc un mod de funcționare staționar, adică. unitatea de pompare functioneaza la o viteza constanta. Această turație și cuplul corespunzător sunt determinate de intersecția caracteristicilor mecanice ale motorului electric și ale pompei (punctul a din fig. 1).

Dacă în procesul de reglare într-un fel sau altul, caracteristica mecanică se modifică, de exemplu, pentru a deveni mai moale prin introducerea unui rezistor suplimentar în circuitul rotor al motorului electric (curba 3 din Fig. 1), cuplul motorului electric va deveni mic din momentul rezistenţei.

Sub influența unui cuplu dinamic negativ, unitatea de pompă începe să funcționeze cu o întârziere, adică încetinește până când cuplul și momentul de rezistență se echilibrează din nou (punctul b din fig. 1). Acest punct corespunde valorii proprii a vitezei și cuplului.

Astfel, procesul de control al vitezei de rotație a unității de pompare este însoțit în mod constant de modificări ale cuplului motorului electric și ale momentului de rezistență al pompei.

Controlul vitezei pompei se poate face fie prin modificarea turației motorului electric, care este conectat rigid la pompă, fie prin modificarea raportului de transmisie al transmisiei care leagă pompa de motorul electric, care funcționează cu turație constantă.

Reglarea vitezei de rotație a motoarelor electrice

Motoarele de curent alternativ sunt utilizate în principal în unitățile de pompare. Viteza de rotație a unui motor de curent alternativ depinde de frecvența curentului de alimentare f, de numărul de perechi de poli p și de alunecarea s. Schimbând unul sau mai mulți dintre acești parametri, puteți modifica turația motorului electric și a pompei conectate la acesta.

Elementul principal al acționării electrice de frecvență este convertor de frecvență… Invertorul are o frecvență constantă a rețelei f1 convertită în variabila e2. Proporțional cu frecvența e2 modifică turația motorului electric conectat la ieșirea convertizorului.

La un convertor de frecvență, tensiunea de rețea U1 și frecvența practic nu se modifică f1 convertit în parametri variabili U2 și e2 necesari sistemului de control. Pentru a asigura funcționarea stabilă a motorului electric, pentru a limita suprasarcina acestuia în ceea ce privește curentul și fluxul magnetic, pentru a menține indicatorii de energie ridicată în convertizorul de frecvență, trebuie menținut un anumit raport între parametrii de intrare și de ieșire ai acestuia în funcție de tipul de caracteristicile pompei mecanice. Aceste relații sunt derivate din ecuația legii controlului frecvenței.

Pentru pompe, trebuie respectat raportul:

U1 / f1 = U2 / f2 = const

În fig. 2 prezintă caracteristicile mecanice ale unui motor de inducție cu reglare a frecvenței.Pe măsură ce frecvența f2 scade, caracteristica mecanică nu numai că își schimbă poziția în coordonatele n — M, dar într-o oarecare măsură își schimbă forma. În special, cuplul maxim al motorului electric este redus. Acest lucru se datorează faptului că, cu un raport de U1 / f1 = U2 / f2 = const și modificarea frecvenței f1 nu ia în considerare efectul rezistenței active a statorului asupra mărimii cuplului motorului.

Orez. 2. Caracteristicile mecanice ale unui antrenament electric de frecvență la frecvențe maxime (1) și reduse (2)

La reglarea frecvenței, ținând cont de această influență, cuplul maxim rămâne neschimbat, forma caracteristicii mecanice este păstrată, doar poziția acesteia se modifică.

Convertizoare de frecventa cu modularea lățimii impulsului (PWM) au caracteristici energetice ridicate datorita faptului ca forma curbelor de curent si tensiune care se apropie de sinusoidal este asigurata la iesirea convertizorului. Recent, convertoarele de frecvență bazate pe module IGBT (tranzistoare bipolare cu poartă izolată) sunt cele mai răspândite.

Modulul IGBT este un element cheie de înaltă eficiență. Are cădere scăzută de tensiune, viteză mare și putere de comutare scăzută. Convertorul de frecvență bazat pe module IGBT cu PWM și algoritm vectorial pentru controlul unui motor asincron are avantaje față de alte tipuri de convertoare. Are un factor de putere mare pe întreaga gamă de frecvență de ieșire.

Schema schematică a convertorului este prezentată în fig. 3.

Orez. 3.Schema unui convertor de frecvență de module IGBT: 1 — bloc de ventilatoare; 2 — alimentare cu energie; 3 — redresor necontrolat; 4 — panou de comandă; 5 — panou de comandă; 6 — PWM; 7 — unitate de conversie a tensiunii; 8 — placa de control al sistemului; 9 — șoferi; 10 — siguranțe pentru unitatea invertorului; 11 — senzori de curent; 12 — motor asincron cu colivie; Q1, Q2, Q3 — întrerupătoare pentru circuitul de alimentare, circuitul de control și unitatea ventilatorului; K1, K2 — contactoare pentru încărcare condensatoare și circuit de putere; C — banc de condensatori; Rl, R2, R3 — rezistențe pentru limitarea curentului de încărcare a condensatorului, a descărcarii condensatoarelor și a blocului de drenaj; VT - Comutatoare de alimentare cu invertor (module IGBT)

La ieșirea convertizorului de frecvență se formează o curbă de tensiune (curent), ușor diferită de o sinusoidă, care conține componente armonice superioare. Prezența lor duce la o creștere a pierderilor în motorul electric. Din acest motiv, atunci când motorul electric funcționează la o viteză apropiată de viteza nominală, motorul electric este supraîncărcat.

Atunci când funcționează la viteze reduse, condițiile de răcire pentru motoarele electrice autoventilate utilizate în acționările pompelor se deteriorează. În domeniul normal de control al unităților de pompare (1: 2 sau 1: 3), această deteriorare a condițiilor de ventilație este compensată de o reducere semnificativă a sarcinii datorită unei reduceri a debitului și a înălțimii pompei.

La operarea la frecvențe apropiate de valoarea nominală (50 Hz), deteriorarea condițiilor de răcire în combinație cu apariția armonicilor de ordin superior necesită o reducere a puterii mecanice admisibile cu 8-15%.Din acest motiv, cuplul maxim al motorului electric este redus cu 1 — 2%, randamentul acestuia — cu 1 — 4%, cosφ — cu 5-7%.

Pentru a evita supraîncărcarea motorului electric este necesar fie să se limiteze valoarea superioară a turației acestuia, fie să se echipeze unitatea cu un electromotor mai puternic. Ultima măsură este obligatorie atunci când unitatea de pompare este proiectată să funcționeze la o frecvență e2> 50 Hz. Limitarea valorii superioare a turațiilor motorului se face prin limitarea frecvenței e2 la 48 Hz. Creșterea puterii nominale a motorului de antrenare este rotunjită la cea mai apropiată valoare standard.

Controlul de grup al blocurilor electrice variabile

Multe seturi de pompe constau din mai multe blocuri. De regulă, nu toate unitățile sunt echipate cu o acționare electrică reglabilă. Din două sau trei unități instalate, este suficient să echipați una cu o acționare electrică reglabilă. Dacă un convertor este conectat permanent la una dintre unități, există un consum neuniform al resursei motorului acestora, deoarece unitatea echipată cu un variator de viteză este utilizată mult mai mult timp.

Pentru repartizarea uniformă a sarcinii între toate blocurile instalate la stație s-au dezvoltat posturi de control de grup, cu ajutorul cărora blocurile pot fi conectate în serie la convertor. Posturile de control sunt de obicei fabricate pentru unități de joasă tensiune (380 V).

De obicei, stațiile de control de joasă tensiune sunt proiectate pentru a controla două sau trei unități.Stațiile de control de joasă tensiune includ întrerupătoare care asigură protecție împotriva scurtcircuitului fază-fază și împământare, relee termice pentru protejarea dispozitivelor de suprasarcină, precum și echipamente de control (întrerupătoare, postări cu butoane si altii.).

Circuitul de comutare al stației de comandă conține interblocările necesare care permit convertorului de frecvență să fie conectat la orice bloc selectat și să înlocuiască blocurile de lucru fără a perturba modul tehnologic de funcționare al unității de pompare sau de suflare.

Posturile de control, de regulă, împreună cu elementele de putere (întrerupătoare automate, contactoare etc.) conțin dispozitive de control și reglare (controlere cu microprocesor etc.).

La cererea clientului, statiile sunt dotate cu dispozitive de pornire automata a puterii de rezerva (ATS), masurarea comerciala a energiei electrice consumate, controlul echipamentelor de oprire.

Dacă este necesar, în stația de comandă se introduc dispozitive suplimentare, care asigură utilizarea, împreună cu convertizorul de frecvență, a softstarter-ului unităților.

Stațiile de control automate oferă:

• menținerea valorii setate a parametrului tehnologic (presiune, nivel, temperatură etc.);

• controlul modurilor de funcționare a motoarelor electrice ale unităților reglate și nereglate (controlul curentului consumat, puterii) și protecția acestora;

• pornirea automată a dispozitivului de rezervă în caz de defecțiune a dispozitivului principal;

• comutarea blocurilor direct în rețea în caz de defecțiune a convertizorului de frecvență;

• pornirea automată a intrării electrice de rezervă (ATS);

• reconectarea automată (AR) a stației după pierderi și căderi profunde de tensiune în rețeaua de alimentare cu energie;

• schimbarea automată a modului de funcționare al stației cu oprirea și pornirea unităților de lucru la un moment dat;

• activarea automată a unei unități suplimentare nereglate în cazul în care unitatea controlată, atingând viteza nominală, nu asigura alimentarea necesară cu apă;

• alternarea automată a blocurilor de lucru la anumite intervale pentru a asigura un consum uniform al resurselor motorii;

• controlul operațional al modului de funcționare al unității de pompare (suflare) din panoul de comandă sau din panoul de comandă.

Orez. 4. Statie pentru controlul grupului de actionari electrice a pompelor cu frecventa variabila

Eficiența utilizării frecvenței variabile în unitățile de pompare

Utilizarea unui variator de frecvență vă permite să economisiți energie în mod semnificativ, deoarece face posibilă utilizarea unităților mari de pompare la debite reduse. Datorită acesteia, este posibil, prin creșterea capacității unitare a unităților, să se reducă numărul total al acestora și, în consecință, să se reducă dimensiunile totale ale clădirilor, să se simplifice schema hidraulică a stației și să se reducă numărul de conducte. supape.

Astfel, utilizarea acționării electrice reglabile în unitățile de pompare permite, alături de economisirea de energie electrică și apă, reducerea numărului de unități de pompare, simplificarea circuitului hidraulic al stației și reducerea volumelor de construcție ale clădirii stației de pompare.În acest sens, apar efecte economice secundare: costurile de încălzire, iluminare și reparații ale clădirii sunt reduse, costurile reduse, în funcție de destinația stațiilor și de alte condiții specifice, pot fi reduse cu 20-50%.

Documentația tehnică pentru convertizoarele de frecvență arată că utilizarea unei acționări electrice reglabile în unitățile de pompare vă permite să economisiți până la 50% din energia cheltuită pentru pomparea apei curate și uzate, iar perioada de amortizare este de la trei până la nouă luni.

În același timp, calculele și analiza eficienței acționării electrice controlate în unitățile de pompare în funcțiune arată că pentru unitățile de pompare mici cu unități cu o putere de până la 75 kW, mai ales atunci când funcționează cu o componentă mare de presiune statică, se dovedește că nu este potrivit pentru utilizarea acţionărilor electrice controlate. În aceste cazuri, puteți utiliza sisteme de control mai simple prin utilizarea clapetei, schimbând numărul de unități de pompă care funcționează.

Utilizarea acționării electrice variabile în sistemele de automatizare a unităților de pompare, pe de o parte, reduce consumul de energie și, pe de altă parte, necesită costuri de capital suplimentare, prin urmare, posibilitatea utilizării acționării electrice variabile în unitățile de pompare este determinată prin compararea costurilor reduse. dintre două opțiuni: de bază și noi. O unitate de pompare echipată cu o acționare electrică reglabilă este luată ca opțiune nouă, iar o unitate ale cărei unități funcționează la o viteză constantă este luată ca principală.