Elektrický pohon čerpacích jednotek s frekvencí

Provozní režimy odstředivých čerpadel jsou energeticky nejúčinnější pro nastavení změnou rychlosti otáčení jejich kol. Rychlost otáčení kol lze měnit, pokud je jako hnací motor použit nastavitelný elektrický pohon.
Konstrukce a charakteristiky plynových turbín a spalovacích motorů jsou takové, že mohou zajistit změnu rychlosti otáčení v požadovaném rozsahu.

Proces nastavování rychlosti otáčení každého mechanismu je pohodlně analyzován pomocí mechanických charakteristik zařízení.

Zvažte mechanické vlastnosti čerpací jednotky sestávající z čerpadla a elektromotoru. Na Obr. 1 ukazuje mechanické charakteristiky odstředivého čerpadla vybaveného zpětným ventilem (křivka 1) a elektromotorem s rotorem nakrátko (křivka 2).

Rýže. 1. Mechanické vlastnosti čerpací jednotky

Rozdíl mezi hodnotami momentu elektromotoru a odporovým momentem čerpadla se nazývá dynamický moment.Pokud je moment motoru větší než moment odporu čerpadla, dynamický moment je považován za kladný, pokud je menší, je záporný.

Pod vlivem pozitivního dynamického momentu začne čerpací jednotka pracovat se zrychlením, tzn. zrychluje. Pokud je dynamický moment záporný, čerpadlová jednotka pracuje se zpožděním, tzn. zpomaluje.

Když jsou tyto momenty stejné, nastává stacionární režim provozu, tzn. čerpadlová jednotka pracuje při konstantní rychlosti. Tyto otáčky a odpovídající kroutící moment jsou určeny průsečíkem mechanických charakteristik elektromotoru a čerpadla (bod a na obr. 1).

Pokud se v procesu nastavování tak či onak mechanická charakteristika změní, například aby se změkčila zavedením přídavného odporu do obvodu rotoru elektromotoru (křivka 3 na obr. 1), točivý moment elektromotoru se stane malým momentem odporu.

Pod vlivem negativního dynamického momentu začne čerpací jednotka pracovat se zpožděním, tzn. zpomaluje, dokud se moment a moment odporu opět nevyrovnají (bod b na obr. 1). Tento bod odpovídá vlastní hodnotě otáček a točivého momentu.

Proces řízení rychlosti otáčení čerpací jednotky je tedy neustále doprovázen změnami točivého momentu elektromotoru a momentu odporu čerpadla.

Řízení otáček čerpadla lze provádět buď změnou otáček elektromotoru, který je pevně spojen s čerpadlem, nebo změnou převodového poměru převodovky spojující čerpadlo s elektromotorem, který běží konstantní rychlostí.

Regulace rychlosti otáčení elektromotorů

Střídavé motory se používají hlavně v čerpacích jednotkách. Rychlost otáčení střídavého motoru závisí na frekvenci napájecího proudu f, počtu pólových párů p a skluzu s. Změnou jednoho nebo více těchto parametrů můžete změnit otáčky elektromotoru a k němu připojeného čerpadla.

Hlavním prvkem frekvenčního elektrického pohonu je frekvenční měnič… Střídač má konstantní síťovou frekvenci f1 převedenou na proměnnou e2. Úměrně frekvenci e2 se mění otáčky elektromotoru připojeného na výstup měniče.

U frekvenčního měniče se síťové napětí U1 a frekvence prakticky nemění f1 převedené na proměnné parametry U2 a e2 potřebné pro řídicí systém. Pro zajištění stabilního provozu elektromotoru, omezení jeho přetížení z hlediska proudu a magnetického toku, pro udržení vysokých energetických indikátorů ve frekvenčním měniči je nutné dodržet určitý poměr mezi jeho vstupními a výstupními parametry v závislosti na typu mechanické vlastnosti čerpadla. Tyto vztahy jsou odvozeny z rovnice zákona o řízení frekvence.

U čerpadel je třeba dodržet poměr:

U1 / f1 = U2 / f2 = konst

Na Obr. 2 ukazuje mechanické charakteristiky indukčního motoru s regulací frekvence.S klesající frekvencí f2 mění mechanická charakteristika nejen svou polohu v souřadnicích n — M, ale do určité míry mění svůj tvar. Zejména se snižuje maximální točivý moment elektromotoru. Je to dáno tím, že při poměru U1 / f1 = U2 / f2 = konst a změna frekvence f1 nezohledňuje vliv činného odporu statoru na velikost momentu motoru.

Rýže. 2. Mechanické charakteristiky frekvenčního elektrického pohonu při maximální (1) a snížené (2) frekvenci

Při úpravě frekvence s přihlédnutím k tomuto vlivu zůstává maximální točivý moment nezměněn, tvar mechanické charakteristiky je zachován, mění se pouze její poloha.

Frekvenční měniče s pulzně šířková modulace (PWM) mají vysokou energetickou charakteristiku díky tomu, že na výstupu měniče je zajištěn tvar proudových a napěťových křivek, které se blíží sinusovému tvaru. V poslední době jsou nejrozšířenější frekvenční měniče na bázi IGBT modulů (izolované hradlové bipolární tranzistory).

Modul IGBT je vysoce účinným klíčovým prvkem. Vyznačuje se nízkým úbytkem napětí, vysokou rychlostí a nízkým spínacím výkonem. Frekvenční měnič na bázi IGBT modulů s PWM a vektorovým algoritmem pro řízení asynchronního motoru má výhody oproti jiným typům měničů. Má vysoký účiník v celém rozsahu výstupní frekvence.

Schematický diagram převodníku je na Obr. 3.

Rýže. 3.Schéma frekvenčního měniče IGBT modulů: 1 — blok ventilátorů; 2 — napájení; 3 — neřízený usměrňovač; 4 — ovládací panel; 5 — deska ovládacího panelu; 6 — PWM; 7 — jednotka převodu napětí; 8 — řídicí deska systému; 9 — řidiči; 10 — pojistky pro invertorovou jednotku; 11 — snímače proudu; 12 — asynchronní motor s kotvou nakrátko; Q1, Q2, Q3 — spínače pro napájecí obvod, řídicí obvod a jednotku ventilátoru; K1, K2 — stykače pro nabíjení kondenzátorů a silového obvodu; C – kondenzátorová banka; Rl, R2, R3 — odpory pro omezení proudu nabíjení kondenzátoru, vybíjení kondenzátorů a vypouštěcího bloku; VT - Invertorové vypínače (moduly IGBT)

Na výstupu frekvenčního měniče se vytvoří křivka napětí (proudu), mírně odlišná od sinusoidy, obsahující vyšší harmonické složky. Jejich přítomnost vede ke zvýšení ztrát v elektromotoru. Z tohoto důvodu, když elektrický pohon pracuje s otáčkami blízkými jmenovitým otáčkám, dochází k přetížení elektromotoru.

Při provozu při snížených otáčkách se zhoršují podmínky chlazení elektromotorů s vlastní ventilací používaných v pohonech čerpadel. V normálním regulačním rozsahu čerpacích jednotek (1:2 nebo 1:3) je toto zhoršení ventilačních podmínek kompenzováno výrazným snížením zátěže v důsledku snížení průtoku a dopravní výšky čerpadla.

Při provozu na frekvencích blízkých jmenovité hodnotě (50 Hz) vyžaduje zhoršení podmínek chlazení v kombinaci s výskytem harmonických vyšších řádů snížení přípustného mechanického výkonu o 8-15 %.Díky tomu je maximální točivý moment elektromotoru snížen o 1 — 2 %, jeho účinnost — o 1 — 4 %, cosφ — o 5-7 %.

Aby nedocházelo k přetěžování elektromotoru, je nutné buď omezit horní hodnotu jeho otáček, nebo osadit pohon výkonnějším elektromotorem. Poslední opatření je povinné, pokud je čerpací jednotka navržena pro provoz s frekvencí e2> 50 Hz. Omezení horní hodnoty otáček motoru se provádí omezením frekvence e2 na 48 Hz. Zvýšení jmenovitého výkonu hnacího motoru se zaokrouhlí nahoru na nejbližší standardní hodnotu.

Skupinové řízení variabilních elektroblokových pohonů

Mnoho čerpacích agregátů se skládá z několika bloků. Ne všechny jednotky jsou zpravidla vybaveny nastavitelným elektrickým pohonem. Ze dvou nebo tří instalovaných jednotek stačí jednu vybavit nastavitelným elektropohonem. Pokud je k některé z jednotek trvale připojen měnič, dochází k nerovnoměrnému odběru jejich motorového zdroje, protože jednotka vybavená pohonem s proměnnými otáčkami je používána mnohem delší dobu.

Pro rovnoměrné rozložení zátěže mezi všechny bloky instalované na stanici byly vyvinuty skupinové řídicí stanice, pomocí kterých lze bloky zapojit sériově do převodníku. Řídicí stanice jsou obvykle vyráběny pro jednotky nízkého napětí (380 V).

Nízkonapěťové řídicí stanice jsou obvykle navrženy pro řízení dvou nebo tří jednotek.Nízkonapěťové řídicí stanice zahrnují jističe, které poskytují ochranu proti fázovému zkratu a uzemnění, tepelná relé pro ochranu zařízení před přetížením a také ovládací zařízení (spínače, knoflíkové sloupky a další.).

Spínací obvod řídicí stanice obsahuje potřebná blokování, která umožňují připojení frekvenčního měniče k libovolnému zvolenému bloku a výměnu pracovních bloků bez narušení technologického režimu provozu čerpací nebo dmýchací jednotky.

Řídicí stanice zpravidla spolu s výkonovými prvky (automatické spínače, stykače atd.) obsahují řídicí a regulační zařízení (mikroprocesorové ovladače atd.).

Na přání zákazníka jsou stanice vybaveny zařízeními pro automatické zapínání záložního napájení (ATS), komerční měření spotřebované elektřiny, ovládání odstávkových zařízení.

V případě potřeby jsou do řídicí stanice zavedena další zařízení, která zajišťují spolu s frekvenčním měničem využití softstartéru jednotek.

Automatizované řídicí stanice poskytují:

• udržování nastavené hodnoty technologického parametru (tlak, hladina, teplota atd.);

• řízení provozních režimů elektromotorů regulovaných a neregulovaných jednotek (řízení odebíraného proudu, výkonu) a jejich ochrany;

• automatický start záložního zařízení v případě poruchy hlavního zařízení;

• spínání bloků přímo do sítě v případě poruchy frekvenčního měniče;

• automatické zapnutí záložního (ATS) elektrického vstupu;

• automatické opětovné připojení (AR) stanice po ztrátě a hlubokých poklesech napětí v napájecí síti;

• automatická změna provozního režimu stanice se zastavením a spuštěním pracovních jednotek v daném čase;

• automatická aktivace další neregulované jednotky, pokud řízená jednotka při dosažení jmenovité rychlosti nezajistila potřebný přívod vody;

• automatické střídání pracovních bloků v určitých intervalech pro zajištění rovnoměrné spotřeby motorických zdrojů;

• provozní ovládání režimu provozu čerpací (foukací) jednotky z ovládacího panelu nebo z ovládacího panelu.

Rýže. 4. Stanice pro skupinové ovládání elektrických pohonů čerpadel s proměnnou frekvencí

Účinnost použití proměnné frekvence v čerpacích jednotkách

Použití pohonu s proměnnou frekvencí umožňuje výrazně šetřit energii, protože umožňuje použití velkých čerpacích jednotek při nízkém průtoku. Díky tomu je možné zvýšením jednotkové kapacity bloků snížit jejich celkový počet a tím i zmenšit celkové rozměry budov, zjednodušit hydraulické schéma stanice a snížit počet potrubí. ventily.

Použití regulovatelného elektropohonu v čerpacích jednotkách tak umožňuje spolu s úsporou elektrické energie a vody snížit počet čerpacích jednotek, zjednodušit hydraulický okruh stanice a snížit stavební objemy budovy čerpací stanice.V této souvislosti vznikají sekundární ekonomické efekty: snižují se náklady na vytápění, osvětlení a opravy objektu, snížené náklady v závislosti na účelu stanic a dalších specifických podmínkách lze snížit o 20-50 %.

Technická dokumentace k frekvenčním měničům ukazuje, že použití nastavitelného elektrického pohonu v čerpacích jednotkách umožňuje ušetřit až 50 % energie vynaložené na čerpání čisté a odpadní vody a doba návratnosti je od tří do devíti měsíců.

Výpočty a analýzy účinnosti řízeného elektrického pohonu v provozovaných čerpacích agregátech přitom ukazují, že u malých čerpacích agregátů s agregáty do výkonu 75 kW, zejména když pracují s velkou složkou statického tlaku, se ukazuje není vhodné používat řízené elektrické pohony. V těchto případech můžete použít jednodušší řídicí systémy pomocí škrcení, změnou počtu pracovních čerpacích jednotek.

Použití variabilního elektrického pohonu v systémech automatizace čerpacích jednotek na jedné straně snižuje spotřebu energie a na druhé straně vyžaduje dodatečné kapitálové náklady, proto je možnost použití variabilního elektrického pohonu v čerpacích jednotkách určena porovnáním snížených nákladů ze dvou možností: základní a nová. Nově je brána čerpací jednotka vybavená nastavitelným elektrickým pohonem a jako hlavní jednotka, jejíž jednotky pracují s konstantními otáčkami.