Szivattyúegységek elektromos meghajtása frekvenciával

A centrifugálszivattyúk működési módjai a legenergiahatékonyabban a kerekeik forgási sebességének változtatásával állíthatók be. A kerekek forgási sebessége megváltoztatható, ha meghajtómotorként állítható elektromos hajtást használnak.
A gázturbinák és a belső égésű motorok kialakítása és jellemzői olyanok, hogy a szükséges tartományon belüli fordulatszám-változást képesek biztosítani.

Az egyes mechanizmusok forgási sebességének beállításának folyamatát kényelmesen elemzik az eszköz mechanikai jellemzői alapján.

Tekintsük a szivattyúból és elektromos motorból álló szivattyúegység mechanikai jellemzőit. ábrán. Az 1. ábra egy visszacsapó szeleppel (1. görbe) és egy mókuskalitkás forgórészes villanymotorral (2. görbe) felszerelt centrifugálszivattyú mechanikai jellemzőit mutatja.

Rizs. 1. A szivattyúegység mechanikai jellemzői

Az elektromos motor nyomatékértékei és a szivattyú ellenállási nyomatéka közötti különbséget dinamikus nyomatéknak nevezzük.Ha a motor nyomatéka nagyobb, mint a szivattyú ellenállási nyomatéka, akkor a dinamikus nyomaték pozitívnak, ha kisebb, negatívnak minősül.

Pozitív dinamikus nyomaték hatására a szivattyúegység gyorsulással kezd dolgozni, azaz. felgyorsul. Ha a dinamikus nyomaték negatív, a szivattyúegység késleltetéssel működik, pl. lelassul.

Ha ezek a pillanatok egyenlőek, stacionárius üzemmód lép fel, pl. a szivattyú egység állandó fordulatszámon működik. Ezt a fordulatszámot és a hozzá tartozó nyomatékot a villanymotor és a szivattyú mechanikai jellemzőinek metszéspontja határozza meg (1. ábra a pontja).

Ha a beállítás során így vagy úgy a mechanikai jellemzők megváltoznak, például a villanymotor forgórész áramkörébe egy további ellenállás bevezetésével lágyabbá válnak (3. görbe az 1. ábrán), az elektromos motor nyomatéka kicsi lesz az ellenállás pillanatától.

Negatív dinamikus nyomaték hatására a szivattyúegység késéssel kezd el dolgozni, pl. lelassul, amíg a nyomaték és az ellenállási nyomaték újra egyensúlyba kerül (1. ábra b pontja). Ez a pont megfelel a fordulatszám és a nyomaték sajátértékének.

Így a szivattyúegység forgási sebességének szabályozását folyamatosan kísérik az elektromos motor nyomatékának és a szivattyú ellenállási pillanatának változásai.

A szivattyú fordulatszámának szabályozása történhet akár a szivattyúhoz mereven kapcsolódó villanymotor fordulatszámának változtatásával, akár a szivattyút az állandó fordulatszámon működő villanymotorral összekötő hajtómű áttételének változtatásával.

Villanymotorok fordulatszámának szabályozása

A váltakozó áramú motorokat főként szivattyúegységekben használják. A váltakozó áramú motor fordulatszáma függ az f tápáram frekvenciájától, a p póluspárok számától és az s szliptől. Ezen paraméterek közül egy vagy több megváltoztatásával módosíthatja az elektromos motor és a hozzá csatlakoztatott szivattyú fordulatszámát.

A frekvenciavillamos hajtás fő eleme az frekvenciaváltó… Az inverter állandó hálózati frekvenciája f1, amelyet e2 változóvá alakítanak át. Az e2 frekvenciával arányosan változtatja az átalakító kimenetére csatlakoztatott villanymotor fordulatszámát.

Frekvenciaátalakítónál az U1 hálózati feszültség és a frekvencia gyakorlatilag nem változik f1-et a vezérléshez szükséges U2 és e2 változó paraméterekké alakítva. A villanymotor stabil működésének biztosítása, az áram és a mágneses fluxus túlterhelésének korlátozása, valamint a frekvenciaváltó magas energiaindikátorainak fenntartása érdekében a bemeneti és a kimeneti paraméterek között bizonyos arányt fenn kell tartani a motor típusától függően. mechanikus szivattyú jellemzői. Ezek az összefüggések a frekvenciaszabályozási törvény egyenletéből származnak.

Szivattyúknál be kell tartani az arányt:

U1 / f1 = U2 / f2 = állandó

ábrán. A 2. ábra egy frekvenciaszabályozással rendelkező indukciós motor mechanikai jellemzőit mutatja.Az f2 frekvencia csökkenésével a mechanikai jellemző nemcsak az n — M koordinátákon belüli helyzetét, hanem bizonyos mértékig alakját is megváltoztatja. Különösen az elektromos motor maximális nyomatéka csökken. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy az U1 / f1 = U2 / f2 = const arány és az f1 frekvencia változása nem veszi figyelembe az állórész aktív ellenállásának a motor nyomatékának nagyságára gyakorolt ​​hatását.

Rizs. 2. Frekvenciás elektromos hajtás mechanikai jellemzői maximális (1) és csökkentett (2) frekvencián

A frekvencia beállításánál ezt a hatást figyelembe véve a maximális nyomaték változatlan marad, a mechanikai jellemző alakja megmarad, csak a helyzete változik.

Frekvenciaváltók impulzusszélesség moduláció (PWM) nagy energiajellemzőkkel rendelkeznek, mivel az áram- és feszültséggörbék a szinuszoshoz közelítő alakját a konverter kimenetén biztosítják. Az utóbbi időben az IGBT modulokon (szigetelt kapu bipoláris tranzisztorokon) alapuló frekvenciaváltók a legelterjedtebbek.

Az IGBT modul nagy hatékonyságú kulcselem. Alacsony feszültségeséssel, nagy sebességgel és alacsony kapcsolási teljesítménnyel rendelkezik. Az aszinkron motorok vezérlésére szolgáló PWM-mel és vektoralgoritmussal rendelkező IGBT-modulokon alapuló frekvenciaváltónak előnyei vannak más típusú konverterekkel szemben. Magas teljesítménytényezővel rendelkezik a teljes kimeneti frekvencia tartományban.

Az átalakító sematikus diagramja a 2. ábrán látható. 3.

Rizs. 3.Az IGBT modulok frekvenciaváltójának vázlata: 1 — ventilátorblokk; 2 — tápegység; 3 — szabályozatlan egyenirányító; 4 — vezérlőpanel; 5 — vezérlőpanel kártya; 6 – PWM; 7 — feszültségátalakító egység; 8 – rendszervezérlő kártya; 9 – járművezetők; 10 — biztosítékok az inverter egységhez; 11 — áramérzékelők; 12 — aszinkron mókuskalitkás motor; Q1, Q2, Q3 — kapcsolók a tápáramkörhöz, a vezérlőáramkörhöz és a ventilátoregységhez; K1, K2 — kontaktorok a kondenzátorok töltéséhez és a tápáramkörhöz; C – kondenzátor bank; Rl, R2, R3 - ellenállások a kondenzátor töltésének, a kondenzátorok kisütésének és a leeresztő blokk áramának korlátozására; VT – Inverteres tápkapcsolók (IGBT-modulok)

A frekvenciaváltó kimenetén a szinuszostól kissé eltérő, magasabb harmonikus komponenseket tartalmazó feszültség (áram) görbe képződik. Jelenlétük az elektromos motor veszteségeinek növekedéséhez vezet. Emiatt, amikor az elektromos hajtás a névleges fordulatszámhoz közeli fordulatszámon működik, az elektromos motor túlterhelődik.

Csökkentett fordulatszámon történő üzemeléskor a szivattyúhajtásokban használt önszellőzős villanymotorok hűtési feltételei romlanak. A szivattyúegységek normál szabályozási tartományában (1: 2 vagy 1: 3) a szellőzési feltételek ezen romlását kompenzálja a terhelés jelentős csökkenése az áramlási sebesség és a szivattyúmagasság csökkenése miatt.

A névleges értékhez (50 Hz) közeli frekvencián történő üzemelés esetén a hűtési feltételek romlása magasabb rendű harmonikusok megjelenésével együtt a megengedett mechanikai teljesítmény 8-15%-os csökkentését teszi szükségessé.Emiatt a villanymotor maximális nyomatéka 1 — 2%-kal, hatásfoka — 1 — 4%-kal, cosφ — 5-7%-kal csökken.

Az elektromos motor túlterhelésének elkerülése érdekében vagy korlátozni kell a fordulatszám felső értékét, vagy a hajtást erősebb villanymotorral kell felszerelni. Az utolsó intézkedés akkor kötelező, ha a szivattyúegységet e2> 50 Hz frekvenciára tervezték. A motor fordulatszámának felső értékének korlátozása az e2 frekvencia 48 Hz-re történő korlátozásával történik. A hajtómotor névleges teljesítményének növekedését a legközelebbi standard értékre kerekítjük.

Változó elektromos blokkhajtások csoportvezérlése

Sok szivattyúkészlet több blokkból áll. Általános szabály, hogy nem minden egység van felszerelve állítható elektromos hajtással. Két vagy három beépített egységből elegendő egyet állítható elektromos hajtással felszerelni. Ha valamelyik egységhez tartósan csatlakozik egy átalakító, akkor a motor erőforrás fogyasztása egyenetlen, mivel a változtatható fordulatszámú hajtással ellátott egységet sokkal hosszabb ideig használják.

A terhelés egyenletes elosztására az állomáson telepített összes blokk között csoportos vezérlőállomásokat fejlesztettek ki, amelyek segítségével a blokkokat sorba lehet kapcsolni az átalakítóval. A vezérlőállomásokat általában kisfeszültségű (380 V) egységekhez gyártják.

Az alacsony feszültségű vezérlőállomásokat jellemzően két vagy három egység vezérlésére tervezték.A kisfeszültségű vezérlőállomások közé tartoznak a fázis-fázisú rövidzárlat és földelés elleni védelmet biztosító megszakítók, a túlterhelés elleni hőrelék, valamint a vezérlőberendezések (kapcsolók, gomb posztok és mások.).

A vezérlőállomás kapcsolóáramköre tartalmazza a szükséges reteszeket, amelyek lehetővé teszik a frekvenciaváltó bármely kiválasztott blokkhoz való csatlakoztatását és a munkablokkok cseréjét anélkül, hogy a szivattyú- vagy fúvóegység technológiai működési módját megzavarnák.

A vezérlőállomások általában a teljesítményelemekkel (automatikus kapcsolók, kontaktorok stb.) együtt vezérlő- és szabályozó eszközöket (mikroprocesszoros vezérlőket stb.) tartalmaznak.

A megrendelő kérésére az állomások fel vannak szerelve a tartalék energia automatikus bekapcsolására (ATS), az elfogyasztott villamos energia kereskedelmi mérésére, a leállító berendezések vezérlésére szolgáló eszközökkel.

Szükség esetén további eszközök kerülnek a vezérlőállomásba, amelyek a frekvenciaváltóval együtt biztosítják az egységek lágyindítójának használatát.

Az automatizált vezérlőállomások a következőket nyújtják:

• a technológiai paraméter (nyomás, szint, hőmérséklet stb.) beállított értékének fenntartása;

• szabályozott és nem szabályozott egységek villanymotorjainak üzemmódjainak szabályozása (fogyasztott áram, teljesítmény szabályozása) és azok védelmének szabályozása;

• a tartalék eszköz automatikus indítása a fő eszköz meghibásodása esetén;

• blokkok kapcsolása közvetlenül a hálózatra a frekvenciaváltó meghibásodása esetén;

• a tartalék (ATS) elektromos bemenet automatikus bekapcsolása;

• az állomás automatikus újracsatlakozása (AR) az áramellátó hálózat elvesztése és mély feszültségesése után;

• az állomás üzemmódjának automatikus megváltoztatása a munkaegységek adott időpontban történő leállításával és indításával;

• egy további szabályozatlan egység automatikus aktiválása, ha a vezérelt egység a névleges fordulatszámot elérve nem biztosította a szükséges vízellátást;

• a munkablokkok automatikus váltakozása bizonyos időközönként a motorerőforrások egyenletes felhasználásának biztosítása érdekében;

• a szivattyú (fújó) egység üzemmódjának működési vezérlése a vezérlőpultról vagy a vezérlőpultról.

Rizs. 4. Állomás változó frekvenciájú szivattyúk elektromos hajtásainak csoportvezérlésére

Változó frekvencia használatának hatékonysága szivattyúegységekben

A frekvenciaváltó használata jelentős energiamegtakarítást tesz lehetővé, mivel lehetővé teszi a nagy szivattyúegységek alacsony áramlási sebességű használatát. Ennek köszönhetően lehetőség nyílik a blokkok egységkapacitásának növelésével azok összlétszámának és ennek megfelelően az épületek összméretének csökkentésére, az állomás hidraulikai konstrukciójának egyszerűsítésére és a csővezetékek számának csökkentésére. szelepek.

Így az állítható elektromos hajtás alkalmazása a szivattyúegységekben az elektromos áram és a víz megtakarítása mellett lehetővé teszi a szivattyúegységek számának csökkentését, az állomás hidraulikus körének egyszerűsítését és a szivattyúállomás épületének építési volumenének csökkentését.Ezzel kapcsolatban másodlagos gazdasági hatások jelentkeznek: az épület fűtési, világítási és javítási költségei csökkennek, a csökkentett költségek az állomások rendeltetésétől és egyéb sajátos feltételektől függően 20-50%-kal csökkenthetők.

A frekvenciaváltók műszaki dokumentációja azt mutatja, hogy az állítható elektromos hajtás használata a szivattyúegységekben lehetővé teszi a tiszta és szennyvíz szivattyúzására fordított energia akár 50% -át is megtakaríthatja, és a megtérülési idő háromtól kilenc hónapig terjed.

Ugyanakkor a vezérelt elektromos hajtás hatékonyságának számításai és elemzése a működő szivattyúegységekben azt mutatják, hogy a legfeljebb 75 kW teljesítményű kis szivattyúegységeknél, különösen akkor, ha nagy statikus nyomáskomponenssel dolgoznak, kiderül. nem alkalmas vezérelt elektromos hajtások használatára. Ezekben az esetekben egyszerűbb vezérlési rendszereket alkalmazhat fojtás, a működő szivattyúegységek számának változtatásával.

A változtatható elektromos hajtás alkalmazása a szivattyúegység-automatizálási rendszerekben egyrészt csökkenti az energiafogyasztást, másrészt további tőkeköltséget igényel, ezért a csökkentett költségek összehasonlításával határozzuk meg a változó elektromos hajtás alkalmazásának lehetőségét a szivattyúegységekben. két lehetőség közül választhat: alap és új. Új opcióként az állítható elektromos hajtással felszerelt szivattyúegységet, főként pedig azt az egységet, amelynek egységei állandó sebességgel működnek.