Elektrisk drev af pumpeenheder med frekvens

Driftstilstandene for centrifugalpumper er de mest energieffektive at justere ved at ændre deres hjuls rotationshastighed. Hjulenes omdrejningshastighed kan ændres, hvis der anvendes et justerbart elektrisk drev som drivmotor.
Gasturbiners og forbrændingsmotorers design og egenskaber er sådan, at de kan give en ændring i omdrejningshastigheden inden for det krævede område.

Processen med at justere rotationshastigheden for hver mekanisme analyseres bekvemt ved hjælp af enhedens mekaniske egenskaber.

Overvej de mekaniske egenskaber ved en pumpeenhed bestående af en pumpe og en elektrisk motor. I fig. 1 viser de mekaniske karakteristika for en centrifugalpumpe udstyret med en kontraventil (kurve 1) og en elektrisk motor med en egern-burrotor (kurve 2).

Ris. 1. Mekaniske egenskaber for pumpeenheden

Forskellen mellem drejningsmomentværdierne for den elektriske motor og pumpens modstandsmoment kaldes det dynamiske drejningsmoment.Hvis motorens drejningsmoment er større end pumpens modstandsmoment, betragtes det dynamiske drejningsmoment som positivt, hvis det er mindre, er det negativt.

Under påvirkning af et positivt dynamisk moment begynder pumpeenheden at arbejde med acceleration, dvs. accelererer. Hvis det dynamiske moment er negativt, kører pumpeenheden med en forsinkelse, dvs. bremser.

Når disse momenter er ens, finder en stationær driftsform sted, dvs. pumpeenheden kører med konstant hastighed. Denne hastighed og det tilsvarende drejningsmoment bestemmes af skæringspunktet mellem den elektriske motors og pumpens mekaniske egenskaber (punkt a i fig. 1).

Hvis den mekaniske karakteristik på den ene eller anden måde ændres, for eksempel til at blive blødere ved at indføre en ekstra modstand i rotorkredsløbet på den elektriske motor (kurve 3 i fig. 1), drejningsmomentet for den elektriske motor. vil blive lille af modstandsmomentet.

Under påvirkning af et negativt dynamisk drejningsmoment begynder pumpeenheden at arbejde med en forsinkelse, dvs. bremses, indtil momentet og modstandsmomentet igen balancerer (punkt b i fig. 1). Dette punkt svarer til egenværdien af ​​hastighed og drejningsmoment.

Processen med at styre pumpeenhedens rotationshastighed ledsages således konstant af ændringer i den elektriske motors drejningsmoment og pumpens modstandsmoment.

Styring af pumpehastigheden kan enten ske ved at ændre hastigheden på elmotoren, som er stift forbundet med pumpen, eller ved at ændre gearforholdet på transmissionen, der forbinder pumpen med elmotoren, som kører med konstant hastighed.

Regulering af omdrejningshastigheden af ​​elektriske motorer

AC-motorer bruges hovedsageligt i pumpeenheder. En AC-motors omdrejningshastighed afhænger af frekvensen af ​​forsyningsstrømmen f, antallet af polpar p og slip s. Ved at ændre en eller flere af disse parametre kan du ændre hastigheden på den elektriske motor og den pumpe, der er tilsluttet den.

Hovedelementet i det frekvenselektriske drev er frekvensomformer… Inverteren har en konstant netfrekvens f1 konverteret til variabel e2. Proportionalt med frekvensen e2 ændrer hastigheden af ​​den elektriske motor, der er forbundet til konverterens udgang.

Med en frekvensomformer ændrer netspændingen U1 og frekvensen praktisk talt ikke f1 konverteret til variable parametre U2 og e2 nødvendige for styresystemet. For at sikre stabil drift af den elektriske motor, for at begrænse dens overbelastning med hensyn til strøm og magnetisk flux, for at opretholde højenergiindikatorer i frekvensomformeren, skal et vist forhold mellem dens input og output parametre opretholdes afhængigt af typen af mekaniske pumpeegenskaber. Disse relationer er afledt af frekvenskontrollovens ligning.

For pumper skal forholdet overholdes:

U1 / f1 = U2 / f2 = konst

I fig. 2 viser de mekaniske karakteristika for en induktionsmotor med frekvensregulering.Når frekvensen f2 falder, ændrer den mekaniske karakteristik ikke kun sin position i n - M-koordinaterne, men ændrer til en vis grad sin form. Især er elmotorens maksimale drejningsmoment reduceret. Dette skyldes det faktum, at med et forhold på U1 / f1 = U2 / f2 = const og ændringen i frekvensen f1 tager ikke højde for virkningen af ​​statorens aktive modstand på størrelsen af ​​motordrejningsmomentet.

Ris. 2. Mekaniske egenskaber for et frekvenselektrisk drev ved maksimale (1) og reducerede (2) frekvenser

Ved justering af frekvensen under hensyntagen til denne påvirkning forbliver det maksimale drejningsmoment uændret, formen af ​​den mekaniske karakteristik bevares, kun dens position ændres.

Frekvensomformere med pulsbreddemodulation (PWM) har høje energikarakteristika på grund af det faktum, at formen af ​​strøm- og spændingskurverne, der nærmer sig sinusformen, er tilvejebragt ved udgangen af ​​konverteren. For nylig er frekvensomformere baseret på IGBT-moduler (isolerede gate bipolære transistorer) de mest udbredte.

IGBT-modulet er et højeffektivt nøgleelement. Den har lavt spændingsfald, høj hastighed og lav koblingseffekt. Frekvensomformeren baseret på IGBT-moduler med PWM og vektoralgoritme til styring af en asynkronmotor har fordele i forhold til andre typer omformere. Den har en høj effektfaktor over hele udgangsfrekvensområdet.

Det skematiske diagram af konverteren er vist i fig. 3.

Ris. 3.Skema af en frekvensomformer af IGBT-moduler: 1 — blok af ventilatorer; 2 — strømforsyning; 3 — ukontrolleret ensretter; 4 — kontrolpanel; 5 — kontrolpanelplade; 6 — PWM; 7 — spændingskonverteringsenhed; 8 — systemkontroltavle; 9 — chauffører; 10 — sikringer til inverterenheden; 11 — strømsensorer; 12 — asynkron egern-burmotor; Q1, Q2, Q3 — kontakter til strømkredsløb, styrekredsløb og ventilatorenhed; K1, K2 — kontaktorer til opladning af kondensatorer og strømkredsløb; C — kondensatorbank; Rl, R2, R3 — modstande til begrænsning af strømmen af ​​kondensatorladningen, udledningen af ​​kondensatorerne og drænblokken; VT - Inverter Power Switche (IGBT-moduler)

Ved udgangen af ​​frekvensomformeren dannes en spændings(strøm)kurve, lidt forskellig fra en sinusformet, indeholdende højere harmoniske komponenter. Deres tilstedeværelse fører til en stigning i tab i den elektriske motor. Af denne grund, når det elektriske drev kører med en hastighed tæt på den nominelle hastighed, er den elektriske motor overbelastet.

Ved drift med reducerede hastigheder forringes køleforholdene for selvventilerede elektriske motorer, der anvendes i pumpedrev. I pumpeenhedernes normale kontrolområde (1: 2 eller 1: 3) kompenseres denne forringelse af ventilationsforholdene af en væsentlig reduktion af belastningen på grund af en reduktion i flowhastigheden og pumpehøjden.

Ved drift ved frekvenser tæt på den nominelle værdi (50 Hz), kræver forringelsen af ​​køleforholdene i kombination med fremkomsten af ​​harmoniske af højere orden en reduktion af den tilladte mekaniske effekt med 8-15 %.På grund af dette reduceres det maksimale drejningsmoment for den elektriske motor med 1 - 2%, dens effektivitet - med 1 - 4%, cosφ - med 5-7%.

For at undgå overbelastning af den elektriske motor er det nødvendigt enten at begrænse den øvre værdi af dens hastighed eller at udstyre drevet med en kraftigere elektrisk motor. Den sidste foranstaltning er obligatorisk, når pumpeenheden er designet til at fungere ved en frekvens e2> 50 Hz. Begrænsning af den øvre værdi af motoromdrejningerne sker ved at begrænse frekvensen e2 til 48 Hz. Stigningen i drivmotorens mærkeeffekt rundes op til nærmeste standardværdi.

Gruppestyring af variable elektriske blokdrev

Mange pumpesæt består af flere blokke. Som regel er ikke alle enheder udstyret med et justerbart elektrisk drev. Fra to eller tre installerede enheder er det nok at udstyre en med et justerbart elektrisk drev. Hvis en omformer er permanent forbundet til en af ​​enhederne, er der et ujævnt forbrug af deres motorressource, da enheden udstyret med et drev med variabel hastighed bruges i meget længere tid.

For ensartet fordeling af belastningen blandt alle blokkene, der er installeret på stationen, er der udviklet gruppekontrolstationer, ved hjælp af hvilke blokkene kan seriekobles til konverteren. Kontrolstationer er normalt fremstillet til lavspændingsenheder (380 V).

Typisk er lavspændingskontrolstationer designet til at styre to eller tre enheder.Lavspændingskontrolstationer omfatter afbrydere, der giver beskyttelse mod fase-fase kortslutning og jording, termiske relæer for at beskytte enheder mod overbelastning, samt kontroludstyr (afbrydere, knap indlæg og andre.).

Kontrolstationens koblingskredsløb indeholder de nødvendige spærringer, der gør det muligt for frekvensomformeren at forbindes med en hvilken som helst valgt blok og erstatte arbejdsblokkene uden at forstyrre pumpe- eller blæseenhedens teknologiske driftstilstand.

Kontrolstationer indeholder som regel sammen med strømelementer (automatiske afbrydere, kontaktorer osv.) styre- og reguleringsanordninger (mikroprocessorstyringer osv.).

Efter kundens ønske er stationerne udstyret med enheder til automatisk tænding af backup-strøm (ATS), kommerciel måling af forbrugt el, kontrol af nedlukningsudstyr.

Hvis det er nødvendigt, indføres yderligere enheder i kontrolstationen, som sikrer brugen, sammen med frekvensomformeren, af enhedernes softstarter.

Automatiserede kontrolstationer giver:

• opretholdelse af den indstillede værdi af den teknologiske parameter (tryk, niveau, temperatur osv.);

• kontrol af driftstilstande for elektriske motorer af regulerede og ikke-regulerede enheder (kontrol af forbrugt strøm, effekt) og deres beskyttelse;

• automatisk start af backup-enheden i tilfælde af fejl på hovedenheden;

• skifte blokke direkte til netværket i tilfælde af fejl i frekvensomformeren;

• automatisk tænding af backup (ATS) elektrisk input;

• automatisk gentilslutning (AR) af stationen efter tab og dybe spændingsfald i strømforsyningsnettet;

• automatisk ændring af stationens driftstilstand med stop og start af arbejdsenhederne på et givet tidspunkt;

• automatisk aktivering af en ekstra ureguleret enhed, hvis den kontrollerede enhed, der nåede den nominelle hastighed, ikke gav den nødvendige vandforsyning;

• automatisk veksling af arbejdsblokke med bestemte intervaller for at sikre ensartet forbrug af motorressourcer;

• driftsstyring af pumpe-(blæse-)enhedens driftstilstand fra kontrolpanelet eller fra kontrolpanelet.

Ris. 4. Station til gruppestyring af elektriske drev af variabel frekvens pumper

Effektiviteten ved at bruge variabel frekvens i pumpeenheder

Brugen af ​​en variabel frekvensomformer giver dig mulighed for at spare energi betydeligt, da det gør det muligt at bruge store pumpeenheder ved lave flowhastigheder. Takket være dette er det muligt ved at øge enhedernes enhedskapacitet at reducere deres samlede antal og følgelig reducere bygningernes overordnede dimensioner, forenkle stationens hydrauliske skema og reducere antallet af rørledninger ventiler.

Således gør brugen af ​​justerbar elektrisk drev i pumpeenheder det muligt, sammen med at spare elektricitet og vand, at reducere antallet af pumpeenheder, at forenkle stationens hydrauliske kredsløb og at reducere konstruktionsvolumen af ​​bygningen af ​​pumpestationen.I den forbindelse opstår der sekundære økonomiske effekter: udgifterne til opvarmning, belysning og reparation af bygningen reduceres, de reducerede omkostninger, afhængigt af formålet med stationerne og andre specifikke forhold, kan reduceres med 20-50 %.

Teknisk dokumentation for frekvensomformere viser, at brugen af ​​et justerbart elektrisk drev i pumpeenheder giver dig mulighed for at spare op til 50 % af den energi, der bruges på at pumpe rent vand og spildevand, og tilbagebetalingsperioden er fra tre til ni måneder.

Samtidig viser beregninger og analyser af effektiviteten af ​​kontrolleret elektrisk drev i drift af pumpeenheder, at for små pumpeenheder med enheder med en effekt på op til 75 kW, især når de arbejder med en stor statisk trykkomponent, viser det sig. ikke egnet til at bruge kontrollerede elektriske drev. I disse tilfælde kan du bruge enklere styresystemer ved at bruge drosling, ændring af antallet af arbejdende pumpeenheder.

Brugen af ​​variabelt elektrisk drev i pumpeenhedens automatiseringssystemer reducerer på den ene side energiforbruget, og på den anden side kræver det yderligere kapitalomkostninger, derfor bestemmes muligheden for at anvende variabelt elektrisk drev i pumpeenheder ved at sammenligne de reducerede omkostninger af to muligheder: grundlæggende og ny. En pumpeenhed udstyret med et justerbart elektrisk drev tages som en ny mulighed, og en enhed, hvis enheder kører med konstant hastighed, tages som hovedenhed.