Elektrický pohon čerpacích jednotiek s frekvenciou

Prevádzkové režimy odstredivých čerpadiel sú energeticky najúčinnejšie na nastavenie zmenou rýchlosti otáčania ich kolies. Rýchlosť otáčania kolies je možné meniť, ak sa ako hnací motor použije nastaviteľný elektrický pohon.
Konštrukcia a charakteristiky plynových turbín a spaľovacích motorov sú také, že môžu zabezpečiť zmenu otáčok v požadovanom rozsahu.

Proces nastavenia rýchlosti otáčania každého mechanizmu sa pohodlne analyzuje pomocou mechanických charakteristík zariadenia.

Zvážte mechanické vlastnosti čerpacej jednotky pozostávajúcej z čerpadla a elektrického motora. Na obr. 1 sú znázornené mechanické charakteristiky odstredivého čerpadla vybaveného spätným ventilom (krivka 1) a elektromotorom s rotorom nakrátko (krivka 2).

Ryža. 1. Mechanické charakteristiky čerpacej jednotky

Rozdiel medzi hodnotami krútiaceho momentu elektromotora a odporovým krútiacim momentom čerpadla sa nazýva dynamický krútiaci moment.Ak je krútiaci moment motora väčší ako moment odporu čerpadla, dynamický krútiaci moment sa považuje za kladný, ak je menší, za záporný.

Pod vplyvom pozitívneho dynamického momentu začne čerpacia jednotka pracovať so zrýchlením, t.j. zrýchľuje. Ak je dynamický krútiaci moment negatívny, čerpadlová jednotka pracuje s oneskorením, t.j. spomaluje.

Keď sú tieto momenty rovnaké, nastáva stacionárny režim prevádzky, t.j. čerpadlová jednotka pracuje pri konštantných otáčkach. Tieto otáčky a príslušný krútiaci moment sú určené priesečníkom mechanických charakteristík elektromotora a čerpadla (bod a na obr. 1).

Ak sa v procese nastavovania tak či onak zmení mechanická charakteristika, napríklad sa zmäkne zavedením dodatočného odporu do obvodu rotora elektromotora (krivka 3 na obr. 1), krútiaci moment elektromotora sa stane malým momentom odporu.

Pod vplyvom negatívneho dynamického krútiaceho momentu začne čerpacia jednotka pracovať s oneskorením, t.j. spomaľuje, kým sa krútiaci moment a moment odporu opäť nevyrovnajú (bod b na obr. 1). Tento bod zodpovedá vlastnej hodnote otáčok a krútiaceho momentu.

Proces riadenia rýchlosti otáčania čerpacej jednotky je teda neustále sprevádzaný zmenami krútiaceho momentu elektromotora a momentu odporu čerpadla.

Reguláciu otáčok čerpadla je možné vykonávať buď zmenou otáčok elektromotora, ktorý je pevne spojený s čerpadlom, alebo zmenou prevodového pomeru prevodovky spájajúcej čerpadlo s elektromotorom, ktorý beží konštantnými otáčkami.

Regulácia rýchlosti otáčania elektromotorov

AC motory sa používajú hlavne v čerpacích jednotkách. Rýchlosť otáčania striedavého motora závisí od frekvencie napájacieho prúdu f, počtu pólových párov p a sklzu s. Zmenou jedného alebo viacerých z týchto parametrov môžete zmeniť rýchlosť elektromotora a k nemu pripojeného čerpadla.

Hlavným prvkom frekvenčného elektrického pohonu je frekvenčný menič… Striedač má konštantnú sieťovú frekvenciu f1 prepočítanú na premennú e2. Úmerne frekvencii e2 sa menia otáčky elektromotora pripojeného na výstup meniča.

S frekvenčným meničom sa sieťové napätie U1 a frekvencia prakticky nemenia f1 prepočítané na premenné parametre U2 a e2 potrebné pre riadiaci systém. Aby sa zabezpečila stabilná prevádzka elektromotora, obmedzilo sa jeho preťaženie z hľadiska prúdu a magnetického toku, aby sa zachovali vysoké energetické indikátory vo frekvenčnom meniči, musí byť dodržaný určitý pomer medzi jeho vstupnými a výstupnými parametrami v závislosti od typu charakteristiky mechanického čerpadla. Tieto vzťahy sú odvodené z rovnice zákona o riadení frekvencie.

Pri čerpadlách je potrebné dodržať pomer:

U1 / f1 = U2 / f2 = konšt

Na obr. 2 sú znázornené mechanické charakteristiky indukčného motora s reguláciou frekvencie.Keď sa frekvencia f2 znižuje, mechanická charakteristika nielen mení svoju polohu v súradniciach n — M, ale do určitej miery mení aj svoj tvar. Zníži sa najmä maximálny krútiaci moment elektromotora. Je to spôsobené tým, že pri pomere U1 / f1 = U2 / f2 = const a zmena frekvencie f1 nezohľadňuje vplyv aktívneho odporu statora na veľkosť krútiaceho momentu motora.

Ryža. 2. Mechanické charakteristiky frekvenčného elektrického pohonu pri maximálnej (1) a zníženej (2) frekvencii

Pri úprave frekvencie s prihliadnutím na tento vplyv zostáva maximálny krútiaci moment nezmenený, tvar mechanickej charakteristiky je zachovaný, mení sa len jej poloha.

Frekvenčné meniče s pulzne šírková modulácia (PWM) majú vysoké energetické charakteristiky v dôsledku skutočnosti, že tvar prúdových a napäťových kriviek približujúcich sa sínusoide je zabezpečený na výstupe meniča. V poslednej dobe sú najrozšírenejšie frekvenčné meniče na báze IGBT modulov (izolované hradlové bipolárne tranzistory).

Modul IGBT je kľúčovým prvkom s vysokou účinnosťou. Vyznačuje sa nízkym poklesom napätia, vysokou rýchlosťou a nízkym spínacím výkonom. Frekvenčný menič na báze IGBT modulov s PWM a vektorovým algoritmom na riadenie asynchrónneho motora má výhody oproti iným typom meničov. Má vysoký účinník v celom rozsahu výstupnej frekvencie.

Schematický diagram prevodníka je znázornený na obr. 3.

Ryža. 3.Schéma frekvenčného meniča modulov IGBT: 1 — blok ventilátorov; 2 — napájanie; 3 — neriadený usmerňovač; 4 — ovládací panel; 5 — doska ovládacieho panela; 6 — PWM; 7 — jednotka premeny napätia; 8 — riadiaca doska systému; 9 — vodiči; 10 — poistky pre invertorovú jednotku; 11 — snímače prúdu; 12 — asynchrónny motor s klietkou nakrátko; Q1, Q2, Q3 — spínače pre napájací obvod, riadiaci obvod a ventilátorovú jednotku; K1, K2 — stykače pre nabíjanie kondenzátorov a silového obvodu; C - banka kondenzátorov; Rl, R2, R3 — odpory na obmedzenie prúdu nabíjania kondenzátora, vybitia kondenzátorov a odtokového bloku; VT - Invertorové vypínače (moduly IGBT)

Na výstupe frekvenčného meniča sa vytvorí napäťová (prúdová) krivka, mierne odlišná od sínusoidy, obsahujúca vyššie harmonické zložky. Ich prítomnosť vedie k zvýšeniu strát v elektromotore. Z tohto dôvodu, keď elektrický pohon pracuje rýchlosťou blízkou menovitým otáčkam, dochádza k preťaženiu elektromotora.

Pri prevádzke pri znížených otáčkach sa zhoršujú podmienky chladenia elektromotorov s vlastným odvetrávaním používaných v pohonoch čerpadiel. V normálnom regulačnom rozsahu čerpacích jednotiek (1:2 alebo 1:3) je toto zhoršenie podmienok vetrania kompenzované výrazným znížením zaťaženia v dôsledku zníženia prietoku a dopravnej výšky čerpadla.

Pri prevádzke pri frekvenciách blízkych nominálnej hodnote (50 Hz) si zhoršenie podmienok chladenia v kombinácii s výskytom vyšších harmonických vyžaduje zníženie prípustného mechanického výkonu o 8-15%.Vďaka tomu sa maximálny krútiaci moment elektromotora zníži o 1 — 2 %, jeho účinnosť — o 1 — 4 %, cosφ — o 5-7 %.

Aby nedošlo k preťaženiu elektromotora, je potrebné buď obmedziť hornú hodnotu jeho otáčok alebo vybaviť pohon výkonnejším elektromotorom. Posledné opatrenie je povinné, keď je čerpacia jednotka navrhnutá na prevádzku pri frekvencii e2> 50 Hz. Obmedzenie hornej hodnoty otáčok motora sa vykonáva obmedzením frekvencie e2 na 48 Hz. Zvýšenie menovitého výkonu hnacieho motora sa zaokrúhľuje na najbližšiu štandardnú hodnotu.

Skupinové ovládanie variabilných elektroblokových pohonov

Mnohé čerpacie súpravy pozostávajú z niekoľkých blokov. Spravidla nie všetky jednotky sú vybavené nastaviteľným elektrickým pohonom. Z dvoch alebo troch inštalovaných jednotiek stačí jednu vybaviť nastaviteľným elektrickým pohonom. Ak je k niektorej z jednotiek permanentne pripojený menič, dochádza k nerovnomernej spotrebe ich zdroja motora, pretože jednotka vybavená pohonom s premenlivými otáčkami sa používa oveľa dlhšie.

Pre rovnomerné rozloženie záťaže medzi všetky bloky inštalované na stanici boli vyvinuté skupinové riadiace stanice, pomocou ktorých môžu byť bloky zapojené do série s meničom. Riadiace stanice sa zvyčajne vyrábajú pre jednotky nízkeho napätia (380 V).

Nízkonapäťové regulačné stanice sú zvyčajne navrhnuté na ovládanie dvoch alebo troch jednotiek.Nízkonapäťové riadiace stanice zahŕňajú ističe, ktoré poskytujú ochranu proti fázovému skratu a uzemneniu, tepelné relé na ochranu zariadení pred preťažením, ako aj ovládacie zariadenia (spínače, gombíkové stĺpiky a ďalšie.).

Spínací obvod riadiacej stanice obsahuje potrebné blokovania, ktoré umožňujú pripojenie frekvenčného meniča k ľubovoľnému zvolenému bloku a výmenu pracovných blokov bez narušenia technologického režimu prevádzky čerpacej alebo fúkacej jednotky.

Riadiace stanice spravidla spolu so silovými prvkami (automatické spínače, stýkače a pod.) obsahujú riadiace a regulačné zariadenia (mikroprocesorové ovládače a pod.).

Na prianie zákazníka sú stanice vybavené zariadeniami na automatické zapínanie záložného napájania (ATS), komerčné meranie spotrebovanej elektriny, ovládanie odstávkových zariadení.

V prípade potreby sú do riadiacej stanice zavedené ďalšie zariadenia, ktoré spolu s frekvenčným meničom zabezpečujú použitie softštartéra jednotiek.

Automatizované riadiace stanice poskytujú:

• udržiavanie nastavenej hodnoty technologického parametra (tlak, hladina, teplota atď.);

• riadenie prevádzkových režimov elektromotorov regulovaných a neregulovaných jednotiek (riadenie spotrebovaného prúdu, výkonu) a ich ochrana;

• automatický štart záložného zariadenia v prípade poruchy hlavného zariadenia;

• spínanie blokov priamo do siete v prípade poruchy frekvenčného meniča;

• automatické zapínanie záložného (ATS) elektrického vstupu;

• automatické opätovné pripojenie (AR) stanice po strate a hlbokom poklese napätia v napájacej sieti;

• automatická zmena režimu prevádzky stanice so zastavením a spustením pracovných jednotiek v danom čase;

• automatická aktivácia prídavnej neregulovanej jednotky, ak riadená jednotka pri dosiahnutí menovitej rýchlosti nezabezpečila potrebný prívod vody;

• automatické striedanie pracovných blokov v určitých intervaloch na zabezpečenie rovnomernej spotreby zdrojov motora;

• prevádzkové ovládanie režimu prevádzky čerpacej (fúkacej) jednotky z ovládacieho panela alebo z ovládacieho panela.

Ryža. 4. Stanica pre skupinové ovládanie elektrických pohonov čerpadiel s premenlivou frekvenciou

Účinnosť použitia variabilnej frekvencie v čerpacích jednotkách

Použitie pohonu s premenlivou frekvenciou umožňuje výrazne šetriť energiu, pretože umožňuje použitie veľkých čerpacích jednotiek pri nízkych prietokoch. Vďaka tomu je možné zvýšením jednotkovej kapacity blokov znížiť ich celkový počet a tým aj zmenšiť celkové rozmery budov, zjednodušiť hydraulickú schému stanice a znížiť počet potrubí. ventily.

Využitie regulovateľného elektrického pohonu v čerpacích agregátoch tak umožňuje popri úspore elektrickej energie a vody znížiť počet čerpacích agregátov, zjednodušiť hydraulický okruh stanice a zmenšiť stavebné objemy budovy čerpacej stanice.V tejto súvislosti vznikajú sekundárne ekonomické efekty: znižujú sa náklady na vykurovanie, osvetlenie a opravy budovy, znížené náklady v závislosti od účelu staníc a iných špecifických podmienok možno znížiť o 20 – 50 %.

Technická dokumentácia k frekvenčným meničom ukazuje, že použitie nastaviteľného elektrického pohonu v čerpacích jednotkách umožňuje ušetriť až 50% energie vynaloženej na čerpanie čistej a odpadovej vody a doba návratnosti je od troch do deviatich mesiacov.

Výpočty a analýzy účinnosti riadeného elektrického pohonu pri prevádzke čerpacích jednotiek zároveň ukazujú, že pre malé čerpacie jednotky s výkonom do 75 kW, najmä keď pracujú s veľkou zložkou statického tlaku, sa ukazuje nie je vhodné používať riadené elektrické pohony. V týchto prípadoch môžete použiť jednoduchšie riadiace systémy pomocou škrtenia, zmenou počtu pracovných čerpacích jednotiek.

Použitie variabilného elektrického pohonu v automatizačných systémoch čerpacích jednotiek na jednej strane znižuje spotrebu energie a na druhej strane si vyžaduje dodatočné kapitálové náklady, preto je možnosť použitia variabilného elektrického pohonu v čerpacích jednotkách určená porovnaním znížených nákladov. z dvoch možností: základná a nová. Ako nová možnosť sa berie čerpacia jednotka vybavená nastaviteľným elektrickým pohonom a ako hlavná jednotka, ktorej jednotky pracujú s konštantnou rýchlosťou.