Električni pogon črpalnih agregatov s frekvenco

Načine delovanja centrifugalnih črpalk je energetsko najbolj učinkovito prilagoditi s spreminjanjem hitrosti vrtenja njihovih koles. Hitrost vrtenja koles je mogoče spreminjati, če kot pogonski motor uporabimo nastavljiv električni pogon.
Zasnova in značilnosti plinskih turbin in motorjev z notranjim zgorevanjem so takšne, da lahko zagotovijo spremembo hitrosti vrtenja v zahtevanem območju.

Postopek prilagajanja hitrosti vrtenja vsakega mehanizma je priročno analiziran z mehanskimi značilnostmi naprave.

Razmislite o mehanskih značilnostih črpalne enote, sestavljene iz črpalke in elektromotorja. Na sl. 1 prikazuje mehanske značilnosti centrifugalne črpalke, opremljene s protipovratnim ventilom (krivulja 1) in elektromotorjem z rotorjem s kletko (krivulja 2).

riž. 1. Mehanske značilnosti črpalne enote

Razlika med vrednostmi navora elektromotorja in uporom navora črpalke se imenuje dinamični navor.Če je navor motorja večji od momenta upora črpalke, se dinamični navor šteje za pozitiven, če je manjši, je negativen.

Pod vplivom pozitivnega dinamičnega trenutka začne črpalna enota delovati pospešeno, tj. pospešuje. Če je dinamični navor negativen, črpalka deluje z zamikom, tj. upočasni.

Ko so ti trenutki enaki, poteka stacionarni način delovanja, tj. črpalka deluje s konstantno hitrostjo. Ta hitrost in ustrezen navor sta določena s presečiščem mehanskih karakteristik elektromotorja in črpalke (točka a na sliki 1).

Če se med prilagajanjem na tak ali drugačen način spremeni mehanska karakteristika, na primer postane mehkejša z uvedbo dodatnega upora v rotorskem krogu elektromotorja (krivulja 3 na sliki 1), se navor elektromotorja bo postal majhen uporni moment.

Pod vplivom negativnega dinamičnega navora črpalna enota začne delovati z zakasnitvijo, tj. upočasnjuje, dokler se navor in moment upora ponovno ne uravnovesita (točka b na sliki 1). Ta točka ustreza lastni vrednosti vrtilne frekvence in navora.

Tako proces krmiljenja hitrosti vrtenja črpalne enote nenehno spremljajo spremembe navora elektromotorja in momenta upora črpalke.

Krmiljenje hitrosti črpalke je možno bodisi s spreminjanjem hitrosti elektromotorja, ki je togo povezan s črpalko, ali s spreminjanjem prestavnega razmerja menjalnika, ki povezuje črpalko z elektromotorjem, ki deluje s konstantno hitrostjo.

Regulacija hitrosti vrtenja elektromotorjev

AC motorji se uporabljajo predvsem v črpalnih enotah. Hitrost vrtenja AC motorja je odvisna od frekvence napajalnega toka f, števila parov polov p in zdrsa s. S spremembo enega ali več teh parametrov lahko spremenite hitrost elektromotorja in z njim povezane črpalke.

Glavni element frekvenčnega električnega pogona je frekvenčni pretvornik… Pretvornik ima konstantno omrežno frekvenco f1, pretvorjeno v spremenljivko e2. Sorazmerno s frekvenco e2 spreminja hitrost elektromotorja, priključenega na izhod pretvornika.

Pri frekvenčnem pretvorniku se omrežna napetost U1 in frekvenca praktično ne spremenita f1 pretvorjena v spremenljiva parametra U2 in e2, ki sta potrebna za krmilni sistem. Da bi zagotovili stabilno delovanje elektromotorja, omejili njegovo preobremenitev glede toka in magnetnega pretoka, ohranili visoke kazalnike energije v frekvenčnem pretvorniku, je treba vzdrževati določeno razmerje med njegovimi vhodnimi in izhodnimi parametri glede na vrsto značilnosti mehanske črpalke. Ta razmerja izhajajo iz enačbe zakona o nadzoru frekvence.

Pri črpalkah je treba upoštevati razmerje:

U1 / f1 = U2 / f2 = konst

Na sl. 2 prikazuje mehanske lastnosti indukcijskega motorja s frekvenčno regulacijo.Ko se frekvenca f2 zmanjša, mehanska karakteristika ne spremeni samo svojega položaja v koordinatah n - M, ampak do neke mere spremeni svojo obliko. Zlasti se zmanjša največji navor elektromotorja. To je posledica dejstva, da z razmerjem U1 / f1 = U2 / f2 = const in sprememba frekvence f1 ne upošteva učinka aktivnega upora statorja na velikost navora motorja.

riž. 2. Mehanske lastnosti frekvenčnega elektromotorja pri maksimalnih (1) in znižanih (2) frekvencah

Pri prilagajanju frekvence ob upoštevanju tega vpliva največji navor ostane nespremenjen, oblika mehanske karakteristike se ohrani, spremeni se le njen položaj.

Frekvenčni pretvorniki z modulacija širine impulza (PWM) imajo visoke energijske značilnosti zaradi dejstva, da je na izhodu pretvornika zagotovljena oblika tokovnih in napetostnih krivulj, ki se približujejo sinusoidu. V zadnjem času so najbolj razširjeni frekvenčni pretvorniki na osnovi IGBT modulov (bipolarni tranzistorji z izoliranimi vrati).

IGBT modul je visoko učinkovit ključni element. Odlikuje ga nizek padec napetosti, visoka hitrost in nizka preklopna moč. Frekvenčni pretvornik na osnovi IGBT modulov s PWM in vektorskim algoritmom za krmiljenje asinhronega motorja ima prednosti pred drugimi vrstami pretvornikov. Ima visok faktor moči v celotnem območju izhodne frekvence.

Shematski diagram pretvornika je prikazan na sl. 3.

riž. 3.Shema frekvenčnega pretvornika modulov IGBT: 1 - blok ventilatorjev; 2 - napajalnik; 3 - nekontrolirani usmernik; 4 - nadzorna plošča; 5 — nadzorna plošča; 6 - PWM; 7 — enota za pretvorbo napetosti; 8 — nadzorna plošča sistema; 9 - vozniki; 10 - varovalke za invertersko enoto; 11 - tokovni senzorji; 12 - asinhronski motor s kletko; Q1, Q2, Q3 — stikala za napajalni tokokrog, krmilni tokokrog in ventilatorsko enoto; K1, K2 — kontaktorji za polnjenje kondenzatorjev in napajalni tokokrog; C - kondenzatorska banka; Rl, R2, R3 - upori za omejevanje toka polnjenja kondenzatorja, praznjenje kondenzatorjev in odtočni blok; VT - inverterska napajalna stikala (IGBT moduli)

Na izhodu frekvenčnega pretvornika se oblikuje krivulja napetosti (toka), nekoliko drugačna od sinusoide, ki vsebuje višje harmonične komponente. Njihova prisotnost vodi do povečanja izgub v elektromotorju. Zaradi tega je elektromotor pri obratovanju s hitrostjo blizu nazivne hitrosti preobremenjen.

Pri delovanju pri zmanjšanih vrtljajih se poslabšajo hladilni pogoji za samoprezračevalne elektromotorje, ki se uporabljajo v pogonih črpalk. V normalnem regulacijskem območju črpalnih enot (1: 2 ali 1: 3) se to poslabšanje prezračevalnih pogojev kompenzira z znatnim zmanjšanjem obremenitve zaradi zmanjšanja pretoka in višine črpalke.

Pri delovanju na frekvencah blizu nazivne vrednosti (50 Hz) poslabšanje hladilnih pogojev v kombinaciji s pojavom harmonikov višjega reda zahteva zmanjšanje dovoljene mehanske moči za 8-15%.Zaradi tega se največji navor elektromotorja zmanjša za 1-2%, njegova učinkovitost - za 1-4%, cosφ - za 5-7%.

Da bi preprečili preobremenitev elektromotorja, je treba bodisi omejiti zgornjo vrednost njegovega števila vrtljajev bodisi pogon opremiti z močnejšim elektromotorjem. Zadnji ukrep je obvezen, če je črpalna enota zasnovana za delovanje pri frekvenci e2> 50 Hz. Omejitev zgornje vrednosti vrtljajev motorja izvedemo z omejitvijo frekvence e2 na 48 Hz. Povečanje nazivne moči pogonskega motorja se zaokroži navzgor na najbližjo standardno vrednost.

Skupinsko krmiljenje variabilnih elektroblok pogonov

Številni črpalni agregati so sestavljeni iz več blokov. Praviloma niso vse enote opremljene z nastavljivim električnim pogonom. Od dveh ali treh nameščenih enot je dovolj, da eno opremite z nastavljivim električnim pogonom. Če je pretvornik stalno povezan z eno od enot, pride do neenakomerne porabe njihovega motornega vira, saj se enota, opremljena s pogonom s spremenljivo hitrostjo, uporablja veliko dlje časa.

Za enakomerno porazdelitev obremenitve med vsemi bloki, nameščenimi na postaji, so bile razvite skupinske krmilne postaje, s pomočjo katerih se lahko bloki zaporedno povežejo s pretvornikom. Krmilne postaje so običajno izdelane za nizkonapetostne enote (380 V).

Običajno so nizkonapetostne krmilne postaje zasnovane za krmiljenje dveh ali treh enot.Nizkonapetostne krmilne postaje vključujejo odklopnike, ki zagotavljajo zaščito pred fazno-faznim kratkim stikom in ozemljitvijo, termične releje za zaščito naprav pred preobremenitvijo, kot tudi krmilno opremo (stikala, gumbne objave in drugi.).

Preklopno vezje krmilne postaje vsebuje potrebne zapore, ki omogočajo priključitev frekvenčnega pretvornika na katerikoli izbrani blok in zamenjavo delovnih blokov brez motenj v tehnološkem načinu delovanja črpalne ali pihalne enote.

Krmilne postaje praviloma skupaj z močnostnimi elementi (avtomatska stikala, kontaktorji itd.) Vsebujejo krmilne in regulacijske naprave (mikroprocesorski krmilniki itd.).

Na željo kupca so postaje opremljene z napravami za avtomatski vklop rezervnega napajanja (ATS), komercialno merjenje porabljene električne energije, nadzor izklopne opreme.

Po potrebi se v krmilno postajo vnesejo dodatne naprave, ki skupaj s frekvenčnim pretvornikom zagotavljajo uporabo mehkega zaganjalnika enot.

Avtomatizirane nadzorne postaje zagotavljajo:

• vzdrževanje nastavljene vrednosti tehnološkega parametra (tlak, nivo, temperatura itd.);

• nadzor načinov delovanja elektromotorjev reguliranih in nereguliranih enot (kontrola porabljenega toka, moči) in njihova zaščita;

• samodejni zagon rezervne naprave v primeru okvare glavne naprave;

• preklopni bloki neposredno v omrežje v primeru okvare frekvenčnega pretvornika;

• samodejni vklop rezervnega (ATS) električnega vhoda;

• avtomatski ponovni vklop (AR) postaje po izgubi in globokih padcih napetosti v napajalnem omrežju;

• samodejno spreminjanje načina delovanja postaje z zaustavitvijo in zagonom delovnih enot ob določenem času;

• samodejno aktiviranje dodatne neregulirane enote, če krmiljena enota, ki je dosegla nazivno hitrost, ni zagotovila potrebne oskrbe z vodo;

• samodejno menjavanje delovnih blokov v določenih intervalih, da se zagotovi enakomerna poraba motornih virov;

• operativni nadzor načina delovanja črpalne (pihalne) enote z nadzorne plošče ali z nadzorne plošče.

riž. 4. Postaja za skupinsko krmiljenje električnih pogonov črpalk s spremenljivo frekvenco

Učinkovitost uporabe spremenljive frekvence v črpalnih enotah

Uporaba frekvenčnega pogona vam omogoča znatno varčevanje z energijo, saj omogoča uporabo velikih črpalnih enot pri nizkih pretokih. Zahvaljujoč temu je mogoče s povečanjem zmogljivosti enote zmanjšati njihovo skupno število in s tem zmanjšati skupne dimenzije zgradb, poenostaviti hidravlično shemo postaje in zmanjšati število cevovodov. ventili.

Tako uporaba nastavljivega električnega pogona v črpalnih enotah omogoča poleg varčevanja z električno energijo in vodo zmanjšanje števila črpalnih enot, poenostavitev hidravličnega kroga postaje in zmanjšanje gradbenih prostornin zgradbe črpalne postaje.Pri tem nastanejo sekundarni ekonomski učinki: zmanjšajo se stroški ogrevanja, razsvetljave in popravila stavbe, zmanjšani stroški, odvisno od namena postaj in drugih specifičnih pogojev, se lahko zmanjšajo za 20-50%.

Tehnična dokumentacija za frekvenčne pretvornike kaže, da uporaba nastavljivega električnega pogona v črpalnih enotah omogoča prihranek do 50% energije, porabljene za črpanje čiste in odpadne vode, vračilna doba pa je od treh do devetih mesecev.

Hkrati izračuni in analiza učinkovitosti krmiljenega električnega pogona pri delujočih črpalnih agregatih kažejo, da se pri majhnih črpalnih agregatih z agregati z močjo do 75 kW, zlasti pri delu z veliko komponento statičnega tlaka, izkaže ni primeren za uporabo krmiljenih električnih pogonov. V teh primerih lahko uporabite enostavnejše krmilne sisteme z uporabo dušilke, spreminjanjem števila delovnih črpalnih enot.

Uporaba variabilnega električnega pogona v sistemih za avtomatizacijo črpalnih agregatov po eni strani zmanjšuje porabo energije, po drugi strani pa zahteva dodatne kapitalske stroške, zato se možnost uporabe variabilnega električnega pogona v črpalnih agregatih ugotavlja s primerjavo zmanjšanih stroškov dve možnosti: osnovna in nova. Kot nova možnost je vzeta črpalna enota, opremljena z nastavljivim električnim pogonom, kot glavna pa enota, katere enote delujejo s konstantno hitrostjo.