Електрическо задвижване на помпени агрегати с честота

Режимите на работа на центробежните помпи са енергийно най -ефективни за регулиране чрез промяна на скоростта на въртене на техните колела. Скоростта на въртене на колелата може да се променя, ако като задвижващ двигател се използва регулируемо електрическо задвижване.
Дизайнът и характеристиките на газовите турбини и двигателите с вътрешно горене са такива, че могат да осигурят промяна в скоростта на въртене в необходимия диапазон.

Процесът на регулиране на скоростта на въртене на всеки механизъм е удобно анализиран с помощта на механичните характеристики на устройството.

Помислете за механичните характеристики на помпения агрегат, състоящ се от помпа и електродвигател. На фиг. 1 показва механичните характеристики на центробежна помпа, оборудвана с възвратен клапан (крива 1) и електродвигател с ротор с катеричка (крива 2).

Ориз. 1. Механични характеристики на помпения агрегат

Разликата между стойностите на въртящия момент на електродвигателя и момента на съпротивление на помпата се нарича динамичен въртящ момент. Ако въртящият момент на двигателя е по -голям от момента на съпротивление на помпата, динамичният въртящ момент се счита за положителен, ако е по -малък — отрицателен.

Под влияние на положителен динамичен момент помпеният агрегат започва да работи с ускорение, т.е. ускорява. Ако динамичният въртящ момент е отрицателен, помпеният агрегат работи със забавяне, т.е. забавя.

Когато тези моменти са равни, се осъществява стационарен режим на работа, т.е. помпеният агрегат работи с постоянна скорост. Тази скорост и съответният въртящ момент се определят от пресечната точка на механичните характеристики на електродвигателя и помпата (точка а на фиг. 1).

Ако в процеса на регулиране по един или друг начин механичната характеристика се промени, например, за да стане по -мека чрез въвеждане на допълнителен резистор в роторната верига на електродвигателя (крива 3 на фиг. 1), въртящият момент на електродвигателя ще стане по -малък от момента на съпротивление.

Под влияние на отрицателен динамичен въртящ момент помпеният агрегат започва да работи със забавяне, т.е. се забавя, докато въртящият момент и моментът на съпротивление отново се балансират (точка b на фиг. 1). Тази точка съответства на собствената стойност на скоростта и въртящия момент.

По този начин процесът на управление на скоростта на въртене на помпения агрегат непрекъснато се придружава от промени в въртящия момент на електродвигателя и момента на съпротивление на помпата.

Контролът на скоростта на помпата може да се извърши или чрез промяна на скоростта на електродвигателя, който е здраво свързан към помпата, или чрез промяна на предавателното отношение на трансмисията, свързваща помпата към електродвигателя, който работи с постоянна скорост.

Регулиране на скоростта на въртене на електродвигатели

В помпените агрегати се използват предимно променливотокови двигатели. Скоростта на въртене на двигателя с променлив ток зависи от честотата на захранващия ток f, броя на полюсните двойки p и приплъзването s. Чрез смяна на един или повече от тях параметри, можете да промените скоростта на електродвигателя и помпата, свързани с него.

Основният елемент на честотното електрическо задвижване е честотен преобразувател… Инверторът има постоянна мрежова честота f1 преобразува в променлива е2. Пропорционално на честотата е2 променя скоростта на електродвигателя, свързан към изхода на преобразувателя.

С честотен преобразувател мрежовото напрежение U1 и честотата практически не се променят f1 преобразувани в променливи параметри U2 и е2, необходими за системата за управление. За да се осигури стабилна работа на електродвигателя, да се ограничи неговото претоварване по отношение на ток и магнитен поток, да се поддържат високи енергийни показатели в честотния преобразувател, трябва да се поддържа определено съотношение между неговите входни и изходни параметри в зависимост от вида на механични характеристики на помпата. Тези отношения са получени от уравнението на закона за честотно регулиране.

За помпите трябва да се спазва съотношението:

U1 / f1 = U2 / f2 = const

На фиг. 2 показва механичните характеристики на асинхронен електродвигател с честотно регулиране. С намаляване на честотата f2 механичната характеристика не само променя позицията си в координатите n — M, но до известна степен променя формата си. По -специално, максималният въртящ момент на електродвигателя е намален. Това се дължи на факта, че при съотношение U1 / f1 = U2 / f2 = const и промяната в честотата f1 не отчита ефекта на активното съпротивление на статора върху величината на въртящия момент на двигателя.

Ориз. 2. Механични характеристики на честотно електрическо задвижване при максимални (1) и намалени (2) честоти

При регулиране на честотата, като се вземе предвид това влияние, максималният въртящ момент остава непроменен, формата на механичната характеристика се запазва, променя се само нейното положение.

Честотни преобразуватели с широчинно -импулсна модулация (ШИМ) имат високи енергийни характеристики поради факта, че на изхода на преобразувателя се осигурява формата на кривите на тока и напрежението, приближаващи се към синусоидалната. Напоследък най -широко разпространени са честотните преобразуватели, базирани на IGBT модули (биполярни транзистори с изолирана порта).

IGBT модулът е високоефективен ключов елемент. Той се отличава с нисък спад на напрежението, висока скорост и ниска комутационна мощност. Честотният преобразувател, базиран на IGBT модули с ШИМ и векторен алгоритъм за управление на асинхронен двигател, има предимства пред други видове преобразуватели. Той има висок коефициент на мощност в целия изходен честотен диапазон.

Схематичната диаграма на преобразувателя е показана на фиг. 3.

Ориз. 3. Схема на честотен преобразувател на IGBT -модули: 1 — блок от вентилатори; 2 — захранване; 3 — неконтролиран токоизправител; 4 — контролен панел; 5 — платка на контролния панел; 6 — ШИМ; 7 — блок за преобразуване на напрежение; 8 — платка за управление на системата; 9 — шофьори; 10 — предпазители за инверторния блок; 11 — токови сензори; 12 — асинхронен двигател с катеричка; Q1, Q2, Q3 — превключватели за силова верига, управляваща верига и вентилаторен блок; K1, K2 — контактори за зареждане на кондензатори и силова верига; C — кондензаторна банка; Rl, R2, R3 — резистори за ограничаване на тока на кондензаторния заряд, разреждането на кондензаторите и дренажния блок; VT — превключватели на захранването на инвертора (IGBT модули)

На изхода на честотния преобразувател се формира крива на напрежение (ток), малко по -различна от синусоида, съдържаща по -високи хармонични компоненти. Тяхното присъствие води до увеличаване на загубите в електродвигателя. Поради тази причина, когато електрическото задвижване работи със скорост, близка до номиналната, електродвигателят е претоварен.

При работа с намалени обороти условията на охлаждане за самовентилирани електродвигатели, използвани в задвижванията на помпата, се влошават. В нормалния диапазон на управление на помпените агрегати (1: 2 или 1: 3) това влошаване на вентилационните условия се компенсира от значително намаляване на натоварването поради намаляване на дебита и напора на помпата.

При работа на честоти, близки до номиналната стойност (50 Hz), влошаването на условията на охлаждане в комбинация с появата на хармоници от по-висок ред изисква намаляване на допустимата механична мощност с 8-15%. Поради това максималният въртящ момент на електродвигателя се намалява с 1 — 2%, неговата ефективност — с 1 — 4%, cosφ — с 5-7%.

За да се избегне претоварване на електродвигателя, е необходимо или да се ограничи горната стойност на скоростта му, или да се оборудва задвижването с по -мощен електродвигател. Последната мярка е задължителна, когато помпеният агрегат е предназначен да работи на честота е2> 50 Hz. Ограничаването на горната стойност на оборотите на двигателя се извършва чрез ограничаване на честотата е2 до 48 Hz. Увеличението на номиналната мощност на задвижващия двигател се закръглява до най -близката стандартна стойност.

Групово управление на променливи електрически задвижвания на блокове

Много помпени агрегати се състоят от няколко блока. По правило не всички агрегати са оборудвани с регулируемо електрическо задвижване. От два или три инсталирани блока е достатъчно да се оборудва един с регулируемо електрическо задвижване. Ако един преобразувател е постоянно свързан към един от блоковете, има неравномерно потребление на техния двигателен ресурс, тъй като уредът, оборудван с задвижване с променлива скорост, се използва за много по -дълго време.

За равномерно разпределение на товара между всички инсталирани на станцията блокове са разработени групови контролни станции, с помощта на които блоковете могат да се свързват последователно към преобразувателя. Контролните станции обикновено се произвеждат за блокове с ниско напрежение (380 V).

Обикновено станциите за управление на ниско напрежение са проектирани да управляват два или три блока. Станциите за управление на ниско напрежение включват прекъсвачи, които осигуряват защита срещу фазово-фазово късо съединение и заземяване, термични релета за защита на устройствата от претоварване, както и контролно оборудване (ключове, публикации с бутони и др.).

Превключващата верига на контролната станция съдържа необходимите блокировки, които позволяват честотният преобразувател да бъде свързан към всеки избран блок и да замени работните блокове, без да нарушава технологичния режим на работа на помпения или духащия агрегат.

Контролните станции, като правило, заедно със захранващи елементи (автоматични превключватели, контактори и т.н.) съдържат управляващи и регулиращи устройства (микропроцесорни контролери и др.).

По желание на клиента станциите са оборудвани с устройства за автоматично включване на резервно захранване (ATS), търговско измерване на консумираната електроенергия, управление на спирателно оборудване.

Ако е необходимо, в контролната станция се въвеждат допълнителни устройства, които осигуряват използването, заедно с честотния преобразувател, на плавния стартер на блоковете.

Автоматизираните контролни станции осигуряват:

• поддържане на зададената стойност на технологичния параметър (налягане, ниво, температура и т.н.);

• контрол на режимите на работа на електродвигатели на регулирани и нерегулирани блокове (контрол на консумирания ток, мощност) и тяхната защита;

• автоматично стартиране на резервното устройство в случай на повреда на основното устройство;

• превключване на блокове директно към мрежата в случай на повреда на честотния преобразувател;

• автоматично включване на резервния (ATS) електрически вход;

• автоматично повторно включване (AR) на станцията след загуба и дълбоки спадове на напрежението в електрозахранващата мрежа;

• автоматична промяна на режима на работа на станцията със спиране и стартиране на работещите блокове в даден момент;

• автоматично активиране на допълнителен нерегулиран блок, ако управляваният блок, достигайки номиналната скорост, не е осигурил необходимото водоснабдяване;

• автоматично редуване на работни блокове на определени интервали, за да се осигури равномерно потребление на двигателни ресурси;

• оперативен контрол на режима на работа на помпения (издухващ) блок от контролния панел или от диспечерския пулт.

Ориз. 4. Станция за групово управление на електрически задвижвания на помпи с променлива честота

Ефективността на използването на променлива честота в помпени агрегати

Използването на задвижване с променлива честота ви позволява значително да спестите енергия, тъй като дава възможност да се използват големи помпени агрегати при ниски дебити. Благодарение на това е възможно, чрез увеличаване на единичния капацитет на блоковете, да се намали общият им брой и съответно да се намалят общите размери на сградите, да се опрости хидравличната схема на станцията и да се намали броят на тръбопроводни клапани.

По този начин използването на регулируемо електрическо задвижване в помпените агрегати позволява, наред със спестяването на електроенергия и вода, да се намали броят на помпените агрегати, да се опрости хидравличната верига на станцията и да се намалят обемите на строителството на сградата на помпената станция. В тази връзка възникват вторични икономически ефекти: намаляват се разходите за отопление, осветление и ремонт на сградата, намалените разходи, в зависимост от предназначението на станциите и други специфични условия, могат да бъдат намалени с 20-50%.

Техническата документация за честотни преобразуватели показва, че използването на регулируемо електрическо задвижване в помпени агрегати ви позволява да спестите до 50% от енергията, изразходвана за изпомпване на чиста и отпадъчна вода, а периодът на изплащане е от три до девет месеца.

В същото време изчисленията и анализът на ефективността на контролирано електрическо задвижване в работещи помпени агрегати показват, че при малки помпени агрегати с агрегати с мощност до 75 kW, особено когато те работят с голям статичен напорен компонент, се обръща не е подходящо да се използват контролирани електрически задвижвания. В тези случаи можете да използвате по -прости системи за управление, като използвате дроселиране, променяйки броя на работещите помпени агрегати.

Използването на променливо електрическо задвижване в системите за автоматизация на помпени агрегати, от една страна, намалява консумацията на енергия, а от друга страна, изисква допълнителни капиталови разходи, поради което се определя възможността за използване на променливо електрическо задвижване в помпени агрегати чрез сравняване на намалените разходи на две опции: основна и нова. Помпеният агрегат, оборудван с регулируемо електрическо задвижване, се приема като нова опция, а агрегат, чиито агрегати работят с постоянна скорост, се приема като основен.