Elektrisk drift av pumpeenheter med frekvens

Driftsmodusene til sentrifugalpumper er de mest energieffektive å justere ved å endre rotasjonshastigheten til hjulene deres. Rotasjonshastigheten til hjulene kan endres hvis en justerbar elektrisk drift brukes som drivmotor.
Utformingen og egenskapene til gassturbiner og forbrenningsmotorer er slik at de kan gi en endring i rotasjonshastighet innenfor det nødvendige området.

Prosessen med å justere rotasjonshastigheten til hver mekanisme er praktisk analysert ved å bruke de mekaniske egenskapene til enheten.

Tenk på de mekaniske egenskapene til en pumpeenhet som består av en pumpe og en elektrisk motor. I fig. 1 viser de mekaniske egenskapene til en sentrifugalpumpe utstyrt med en tilbakeslagsventil (kurve 1) og en elektrisk motor med en ekorn-burrotor (kurve 2).

Ris. 1. Mekaniske egenskaper til pumpeenheten

Forskjellen mellom dreiemomentverdiene til den elektriske motoren og motstandsmomentet til pumpen kalles det dynamiske dreiemomentet.Hvis dreiemomentet til motoren er større enn motstandsmomentet til pumpen, anses det dynamiske dreiemomentet som positivt, hvis det er mindre, er det negativt.

Under påvirkning av et positivt dynamisk øyeblikk begynner pumpeenheten å jobbe med akselerasjon, dvs. akselererer. Hvis det dynamiske dreiemomentet er negativt, fungerer pumpeenheten med en forsinkelse, dvs. sakker ned.

Når disse momentene er like, skjer en stasjonær driftsmåte, dvs. pumpeenheten arbeider med konstant hastighet. Denne hastigheten og det tilsvarende dreiemomentet bestemmes av skjæringspunktet mellom de mekaniske egenskapene til den elektriske motoren og pumpen (punkt a i fig. 1).

Hvis den mekaniske karakteristikken på en eller annen måte endres, for eksempel til å bli mykere ved å introdusere en ekstra motstand i rotorkretsen til den elektriske motoren (kurve 3 i fig. 1), dreiemomentet til den elektriske motoren vil bli liten av motstandsøyeblikket.

Under påvirkning av et negativt dynamisk dreiemoment begynner pumpeenheten å fungere med en forsinkelse, dvs. bremser inntil dreiemomentet og motstandsmomentet balanserer igjen (punkt b i fig. 1). Dette punktet tilsvarer egenverdien til hastighet og dreiemoment.

Dermed er prosessen med å kontrollere rotasjonshastigheten til pumpeenheten konstant ledsaget av endringer i dreiemomentet til den elektriske motoren og pumpens motstandsøyeblikk.

Kontroll av pumpehastigheten kan gjøres enten ved å endre hastigheten til den elektriske motoren, som er stivt koblet til pumpen, eller ved å endre girforholdet til transmisjonen som kobler pumpen til den elektriske motoren, som går med konstant hastighet.

Regulering av rotasjonshastigheten til elektriske motorer

AC-motorer brukes hovedsakelig i pumpeenheter. Rotasjonshastigheten til en AC-motor avhenger av frekvensen til tilførselsstrømmen f, antall polpar p og slip s. Ved å endre en eller flere av disse parameterne kan du endre hastigheten til den elektriske motoren og pumpen som er koblet til den.

Hovedelementet i den elektriske frekvensstasjonen er frekvensomformer… Omformeren har en konstant nettfrekvens f1 konvertert til variabel e2. Proporsjonalt med frekvensen endrer e2 hastigheten til den elektriske motoren koblet til utgangen på omformeren.

Med en frekvensomformer endrer nettspenningen U1 og frekvensen praktisk talt ikke f1 omgjort til variable parametere U2 og e2 som er nødvendige for kontrollsystemet. For å sikre stabil drift av den elektriske motoren, for å begrense dens overbelastning når det gjelder strøm og magnetisk fluks, for å opprettholde høyenergiindikatorer i frekvensomformeren, må et visst forhold mellom dens inngangs- og utgangsparametere opprettholdes avhengig av typen mekaniske pumpeegenskaper. Disse relasjonene er avledet fra frekvenskontrolllovens ligning.

For pumper må forholdet overholdes:

U1 / f1 = U2 / f2 = konst

I fig. 2 viser de mekaniske egenskapene til en induksjonsmotor med frekvensregulering.Når frekvensen f2 synker, endrer den mekaniske karakteristikken ikke bare sin posisjon i n - M-koordinatene, men endrer til en viss grad sin form. Spesielt er det maksimale dreiemomentet til den elektriske motoren redusert. Dette skyldes det faktum at med et forhold på U1 / f1 = U2 / f2 = const og endringen i frekvens f1 tar ikke hensyn til effekten av statorens aktive motstand på størrelsen på motormomentet.

Ris. 2. Mekaniske egenskaper for en elektrisk frekvensomformer ved maksimale (1) og reduserte (2) frekvenser

Når du justerer frekvensen, med tanke på denne påvirkningen, forblir det maksimale dreiemomentet uendret, formen på den mekaniske karakteristikken bevares, bare dens posisjon endres.

Frekvensomformere med pulsbreddemodulasjon (PWM) har høye energikarakteristikker på grunn av det faktum at formen på strøm- og spenningskurvene som nærmer seg sinusformen er gitt ved utgangen til omformeren. Nylig er frekvensomformere basert på IGBT-moduler (isolert port bipolare transistorer) de mest utbredte.

IGBT-modulen er et høyeffektivt nøkkelelement. Den har lavt spenningsfall, høy hastighet og lav brytereffekt. Frekvensomformeren basert på IGBT-moduler med PWM og vektoralgoritme for styring av en asynkronmotor har fordeler fremfor andre typer omformere. Den har en høy effektfaktor over hele utgangsfrekvensområdet.

Det skjematiske diagrammet for omformeren er vist i fig. 3.

Ris. 3.Opplegg for en frekvensomformer av IGBT-moduler: 1 — blokk med vifter; 2 - strømforsyning; 3 — ukontrollert likeretter; 4 — kontrollpanel; 5 — kontrollpaneltavle; 6 — PWM; 7 - spenningskonverteringsenhet; 8 — systemkontrollkort; 9 — sjåfører; 10 — sikringer for omformerenheten; 11 — strømsensorer; 12 — asynkron ekorn-burmotor; Q1, Q2, Q3 — brytere for strømkrets, kontrollkrets og vifteenhet; K1, K2 — kontaktorer for ladekondensatorer og strømkrets; C — kondensatorbank; Rl, R2, R3 - motstander for å begrense strømmen til kondensatorladningen, utladningen av kondensatorene og dreneringsblokken; VT - Inverter Power Switches (IGBT-moduler)

Ved utgangen til frekvensomformeren dannes en spenningskurve (strøm) som er litt forskjellig fra en sinusformet, som inneholder høyere harmoniske komponenter. Deres tilstedeværelse fører til en økning i tap i den elektriske motoren. Av denne grunn blir den elektriske motoren overbelastet når den elektriske drivenheten kjører med en hastighet nær den nominelle hastigheten.

Ved drift med reduserte hastigheter forringes kjøleforholdene for selvventilerte elektriske motorer som brukes i pumpedrift. I det normale kontrollområdet til pumpeenhetene (1: 2 eller 1: 3) kompenseres denne forverringen av ventilasjonsforholdene av en betydelig reduksjon i belastningen på grunn av en reduksjon i strømningshastigheten og pumpehøyden.

Ved drift ved frekvenser nær den nominelle verdien (50 Hz), krever forringelsen av kjøleforholdene i kombinasjon med utseendet av harmoniske av høyere orden en reduksjon av den tillatte mekaniske effekten med 8-15 %.På grunn av dette reduseres det maksimale dreiemomentet til den elektriske motoren med 1 - 2%, effektiviteten - med 1 - 4%, cosφ - med 5-7%.

For å unngå overbelastning av den elektriske motoren, er det nødvendig enten å begrense den øvre verdien av hastigheten eller å utstyre stasjonen med en kraftigere elektrisk motor. Det siste tiltaket er obligatorisk når pumpeenheten er konstruert for å operere ved en frekvens e2> 50 Hz. Begrensning av øvre verdi av motoromdreiningene gjøres ved å begrense frekvensen e2 til 48 Hz. Økningen i merkeeffekten til drivmotoren rundes opp til nærmeste standardverdi.

Gruppestyring av variable elektriske blokkdrev

Mange pumpesett består av flere blokker. Som regel er ikke alle enheter utstyrt med en justerbar elektrisk drift. Fra to eller tre installerte enheter er det nok å utstyre en med en justerbar elektrisk stasjon. Hvis en omformer er permanent koblet til en av enhetene, er det et ujevnt forbruk av motorressursen deres, siden enheten utstyrt med en variabel hastighetsdrift brukes i mye lengre tid.

For jevn fordeling av lasten blant alle blokkene som er installert på stasjonen, er det utviklet gruppekontrollstasjoner, ved hjelp av hvilke blokkene kan seriekobles til omformeren. Kontrollstasjoner er vanligvis produsert for lavspenningsenheter (380 V).

Vanligvis er lavspenningskontrollstasjoner designet for å kontrollere to eller tre enheter.Lavspentkontrollstasjoner inkluderer effektbrytere som gir beskyttelse mot fase-fase kortslutning og jording, termiske reléer for å beskytte enheter mot overbelastning, samt kontrollutstyr (brytere, knappe innlegg og andre.).

Bryterkretsen til kontrollstasjonen inneholder de nødvendige forriglingene som gjør at frekvensomformeren kan kobles til en hvilken som helst valgt blokk og erstatte arbeidsblokkene uten å forstyrre den teknologiske driftsmodusen til pumpe- eller blåseenheten.

Kontrollstasjoner, som regel, sammen med kraftelementer (automatiske brytere, kontaktorer, etc.) inneholder kontroll- og reguleringsenheter (mikroprosessorkontrollere, etc.).

På kundens forespørsel er stasjonene utstyrt med enheter for automatisk innkobling av reservestrøm (ATS), kommersiell måling av forbrukt strøm, kontroll av avstengningsutstyr.

Om nødvendig innføres ytterligere enheter i kontrollstasjonen, som sikrer bruk, sammen med frekvensomformeren, av mykstarteren til enhetene.

Automatiserte kontrollstasjoner gir:

• opprettholde den innstilte verdien til den teknologiske parameteren (trykk, nivå, temperatur, etc.);

• kontroll av driftsmodusene til elektriske motorer til regulerte og ikke-regulerte enheter (kontroll av forbrukt strøm, kraft) og deres beskyttelse;

• automatisk start av sikkerhetskopienheten i tilfelle feil på hovedenheten;

• bytte blokker direkte til nettverket i tilfelle feil på frekvensomformeren;

• automatisk påslåing av backup (ATS) elektrisk inngang;

• automatisk gjentilkobling (AR) av stasjonen etter tap og dype spenningsfall i strømforsyningsnettverket;

• automatisk endring av driftsmodusen til stasjonen med stopp og start av arbeidsenhetene på et gitt tidspunkt;

• automatisk aktivering av en ekstra uregulert enhet hvis den kontrollerte enheten, når den nominelle hastigheten, ikke ga den nødvendige vannforsyningen;

• automatisk veksling av arbeidsblokker med visse intervaller for å sikre jevnt forbruk av motorressurser;

• driftskontroll av driftsmodusen til pumpe-(blåse-)enheten fra kontrollpanelet eller fra kontrollpanelet.

Ris. 4. Stasjon for gruppestyring av elektriske drifter av pumper med variabel frekvens

Effektiviteten ved å bruke variabel frekvens i pumpeenheter

Bruken av en variabel frekvensomformer lar deg spare energi betydelig, da det gjør det mulig å bruke store pumpeenheter med lave strømningshastigheter. Takket være dette er det mulig, ved å øke enhetskapasiteten til enhetene, å redusere deres totale antall og følgelig redusere de totale dimensjonene til bygningene, forenkle det hydrauliske opplegget til stasjonen og redusere antallet rørledninger ventiler.

Dermed kan bruken av justerbar elektrisk drift i pumpeenheter, sammen med å spare strøm og vann, redusere antall pumpeenheter, forenkle den hydrauliske kretsen til stasjonen og redusere konstruksjonsvolumene til bygningen av pumpestasjonen.I denne forbindelse oppstår sekundære økonomiske effekter: kostnadene til oppvarming, belysning og reparasjon av bygget reduseres, de reduserte kostnadene, avhengig av formålet med stasjonene og andre spesifikke forhold, kan reduseres med 20-50 %.

Teknisk dokumentasjon for frekvensomformere viser at bruken av en justerbar elektrisk drift i pumpeenheter lar deg spare opptil 50 % av energien som brukes på å pumpe rent vann og avløpsvann, og tilbakebetalingstiden er fra tre til ni måneder.

Samtidig viser beregninger og analyser av effektiviteten av kontrollert elektrisk drift i pumpeenheter i drift at for små pumpeenheter med enheter med en effekt på opptil 75 kW, spesielt når de arbeider med en stor statisk trykkkomponent, viser det seg. ikke egnet for bruk av kontrollerte elektriske stasjoner. I disse tilfellene kan du bruke enklere kontrollsystemer ved å bruke struping, endre antall fungerende pumpeenheter.

Bruken av variabel elektrisk drift i pumpeenhetsautomatiseringssystemer reduserer på den ene siden energiforbruket, og krever på den annen side ekstra kapitalkostnader, derfor bestemmes muligheten for å bruke variabel elektrisk drift i pumpeenheter ved å sammenligne de reduserte kostnadene av to alternativer: grunnleggende og ny. En pumpeenhet utstyrt med en justerbar elektrisk drift tas som et nytt alternativ, og en enhet hvis enheter opererer med konstant hastighet tas som hovedenhet.