Elektrisk drivning av pumpenheter med frekvens

Driftssätten för centrifugalpumpar är de mest energieffektiva att justera genom att ändra rotationshastigheten på deras hjul. Hjulens rotationshastighet kan ändras om en justerbar elektrisk drivning används som drivmotor.
Utformningen och egenskaperna hos gasturbiner och förbränningsmotorer är sådana att de kan ge en förändring av rotationshastigheten inom det erforderliga området.

Processen att justera rotationshastigheten för varje mekanism analyseras bekvämt med hjälp av enhetens mekaniska egenskaper.

Tänk på de mekaniska egenskaperna hos en pumpenhet som består av en pump och en elmotor. I fig. 1 visar de mekaniska egenskaperna hos en centrifugalpump utrustad med en backventil (kurva 1) och en elektrisk motor med en ekorrburrotor (kurva 2).

Ris. 1. Mekaniska egenskaper hos pumpenheten

Skillnaden mellan elmotorns vridmoment och pumpens resistansmoment kallas det dynamiska vridmomentet.Om motorns vridmoment är större än pumpens motståndsmoment anses det dynamiska vridmomentet vara positivt, om det är mindre är det negativt.

Under påverkan av ett positivt dynamiskt moment börjar pumpenheten arbeta med acceleration, d.v.s. accelererar. Om det dynamiska vridmomentet är negativt, arbetar pumpenheten med en fördröjning, d.v.s. saktar ner.

När dessa moment är lika sker ett stationärt driftsätt, d.v.s. pumpenheten arbetar med konstant hastighet. Denna hastighet och motsvarande vridmoment bestäms av skärningspunkten mellan den elektriska motorns och pumpens mekaniska egenskaper (punkt a i fig. 1).

Om den mekaniska egenskapen på ett eller annat sätt ändras, till exempel för att bli mjukare genom att införa ett extra motstånd i den elektriska motorns rotorkrets (kurva 3 i fig. 1), vridmomentet för elmotorn kommer att bli liten av motståndsögonblicket.

Under påverkan av ett negativt dynamiskt vridmoment börjar pumpenheten att arbeta med en fördröjning, d.v.s. saktar ner tills vridmomentet och motståndsmomentet åter balanseras (punkt b i fig. 1). Denna punkt motsvarar egenvärdet för hastighet och vridmoment.

Processen för att styra pumpenhetens rotationshastighet åtföljs således ständigt av förändringar i vridmomentet hos den elektriska motorn och pumpens motståndsmoment.

Styrning av pumphastigheten kan göras antingen genom att ändra hastigheten på elmotorn, som är fast ansluten till pumpen, eller genom att ändra utväxlingen på transmissionen som förbinder pumpen med elmotorn, som går med konstant hastighet.

Reglering av rotationshastigheten för elmotorer

AC-motorer används främst i pumpaggregat. En växelströmsmotors rotationshastighet beror på frekvensen av matningsströmmen f, antalet polpar p och slirningen s. Genom att ändra en eller flera av dessa parametrar kan du ändra hastigheten på elmotorn och pumpen som är ansluten till den.

Huvudelementet i frekvensdrivningen är frekvensomvandlare… Växelriktaren har en konstant nätfrekvens f1 omvandlad till variabel e2. Proportionellt mot frekvensen ändrar e2 hastigheten på den elektriska motorn som är ansluten till omvandlarens utgång.

Med en frekvensomformare ändras nätspänningen U1 och frekvensen praktiskt taget inte f1 omvandlad till variabla parametrar U2 och e2 som är nödvändiga för styrsystemet. För att säkerställa en stabil drift av elmotorn, för att begränsa dess överbelastning i termer av ström och magnetiskt flöde, för att upprätthålla högenergiindikatorer i frekvensomformaren, måste ett visst förhållande mellan dess ingångs- och utgångsparametrar upprätthållas beroende på typen av mekaniska pumpegenskaper. Dessa samband härleds från ekvationen för frekvensstyrningslag.

För pumpar måste förhållandet observeras:

U1 / f1 = U2 / f2 = konst

I fig. 2 visar de mekaniska egenskaperna hos en induktionsmotor med frekvensreglering.När frekvensen f2 minskar ändrar den mekaniska karakteristiken inte bara sin position i n — M-koordinaterna, utan ändrar i viss mån sin form. I synnerhet reduceras det maximala vridmomentet för elmotorn. Detta beror på det faktum att med ett förhållande på U1 / f1 = U2 / f2 = const och förändringen i frekvensen f1 tar inte hänsyn till effekten av statorns aktiva motstånd på storleken på motorvridmomentet.

Ris. 2. Mekaniska egenskaper hos en elektrisk frekvensomriktare vid maximala (1) och reducerade (2) frekvenser

Vid justering av frekvensen, med hänsyn till denna påverkan, förblir det maximala vridmomentet oförändrat, formen på den mekaniska egenskapen bevaras, bara dess position ändras.

Frekvensomriktare med pulsbreddsmodulering (PWM) har höga energiegenskaper på grund av det faktum att formen på ström- och spänningskurvorna som närmar sig sinusformen tillhandahålls vid omvandlarens utgång. På senare tid är frekvensomvandlare baserade på IGBT-moduler (bipolära transistorer med isolerad grind) de mest utbredda.

IGBT-modulen är ett högeffektivt nyckelelement. Den har lågt spänningsfall, hög hastighet och låg kopplingseffekt. Frekvensomvandlaren baserad på IGBT-moduler med PWM och vektoralgoritm för styrning av en asynkronmotor har fördelar jämfört med andra typer av omvandlare. Den har en hög effektfaktor över hela utfrekvensområdet.

Det schematiska diagrammet för omvandlaren visas i fig. 3.

Ris. 3.Schema för en frekvensomformare av IGBT-moduler: 1 — block av fläktar; 2 — strömförsörjning; 3 — okontrollerad likriktare; 4 — kontrollpanel; 5 — kontrollpanelskort; 6 — PWM; 7 — spänningsomvandlingsenhet; 8 — systemkontrollkort; 9 — förare; 10 — säkringar för inverterenheten; 11 — strömsensorer; 12 — asynkron ekorrburmotor; Q1, Q2, Q3 — omkopplare för strömkrets, styrkrets och fläktenhet; K1, K2 — kontaktorer för laddning av kondensatorer och strömkrets; C — kondensatorbank; Rl, R2, R3 — motstånd för att begränsa strömmen av kondensatorladdningen, urladdningen av kondensatorerna och dräneringsblocket; VT - Inverter Power Switches (IGBT-moduler)

Vid utgången av frekvensomformaren bildas en spänningskurva (ström) som är något annorlunda än en sinusform som innehåller högre övertoner. Deras närvaro leder till en ökning av förlusterna i elmotorn. Av denna anledning, när den elektriska drivningen arbetar med en hastighet nära den nominella hastigheten, är elmotorn överbelastad.

Vid drift med reducerade hastigheter försämras kylförhållandena för självventilerade elmotorer som används i pumpdrifter. I det normala reglerområdet för pumpenheterna (1: 2 eller 1: 3) kompenseras denna försämring av ventilationsförhållandena av en betydande minskning av belastningen på grund av en minskning av flödeshastigheten och pumphöjden.

Vid drift vid frekvenser nära det nominella värdet (50 Hz) kräver försämringen av kylförhållandena i kombination med uppkomsten av övertoner av högre ordning en minskning av den tillåtna mekaniska effekten med 8-15 %.På grund av detta minskas elmotorns maximala vridmoment med 1 — 2%, dess effektivitet — med 1 — 4%, cosφ — med 5-7%.

För att undvika överbelastning av elmotorn är det nödvändigt att antingen begränsa det övre värdet på dess hastighet eller att utrusta frekvensomriktaren med en kraftfullare elmotor. Den sista åtgärden är obligatorisk när pumpenheten är konstruerad för att arbeta vid en frekvens e2> 50 Hz. Begränsning av det övre värdet på motorvarven görs genom att begränsa frekvensen e2 till 48 Hz. Ökningen av drivmotorns märkeffekt avrundas uppåt till närmaste standardvärde.

Gruppstyrning av variabla elektriska blockdrifter

Många pumpsatser består av flera block. Som regel är inte alla enheter utrustade med en justerbar elektrisk drivning. Från två eller tre installerade enheter räcker det att utrusta en med en justerbar elektrisk drivning. Om en omvandlare är permanent ansluten till en av enheterna uppstår en ojämn förbrukning av deras motorresurs, eftersom enheten utrustad med en frekvensomriktare används under mycket längre tid.

För enhetlig fördelning av belastningen bland alla block installerade på stationen har gruppstyrstationer utvecklats, med hjälp av vilka blocken kan seriekopplas till omvandlaren. Styrstationer tillverkas vanligtvis för lågspänningsenheter (380 V).

Normalt är lågspänningskontrollstationer utformade för att styra två eller tre enheter.Lågspänningskontrollstationer inkluderar strömbrytare som ger skydd mot fas-fas kortslutning och jordning, termiska reläer för att skydda enheter från överbelastning, såväl som kontrollutrustning (brytare, knappinlägg och andra.).

Styrstationens kopplingskrets innehåller de nödvändiga förreglingarna som gör att frekvensomformaren kan anslutas till valfritt valt block och byta ut arbetsblocken utan att störa det tekniska driftsättet för pump- eller blåsenheten.

Styrstationer innehåller som regel, tillsammans med kraftelement (automatiska strömbrytare, kontaktorer, etc.) styr- och regleranordningar (mikroprocessorstyrenheter, etc.).

På kundens begäran är stationerna utrustade med anordningar för automatisk påslagning av reservkraft (ATS), kommersiell mätning av förbrukad el, styrning av avstängningsutrustning.

Vid behov införs ytterligare enheter i kontrollstationen, som säkerställer användningen, tillsammans med frekvensomformaren, av enheternas mjukstartare.

Automatiserade kontrollstationer ger:

• bibehålla det inställda värdet för den tekniska parametern (tryck, nivå, temperatur, etc.);

• kontroll av driftsätten för elektriska motorer för reglerade och oreglerade enheter (kontroll av förbrukad ström, effekt) och deras skydd;

• automatisk start av säkerhetskopieringsenheten i händelse av fel på huvudenheten;

• växla block direkt till nätverket i händelse av fel på frekvensomformaren;

• automatisk påslagning av backup (ATS) elektrisk ingång;

• automatisk återanslutning (AR) av stationen efter förlust och djupa spänningsfall i strömförsörjningsnätverket;

• automatisk ändring av stationens driftläge med stopp och start av arbetsenheterna vid en given tidpunkt;

• automatisk aktivering av en extra oreglerad enhet om den kontrollerade enheten, som nådde den nominella hastigheten, inte gav den nödvändiga vattenförsörjningen;

• automatisk växling av arbetsblock vid vissa intervall för att säkerställa enhetlig förbrukning av motorresurser;

• driftstyrning av driftläget för pumpenheten (blåsnings-) från kontrollpanelen eller från kontrollpanelen.

Ris. 4. Station för gruppstyrning av elektriska drivningar av pumpar med variabel frekvens

Effektiviteten av att använda variabel frekvens i pumpenheter

Användningen av en frekvensomformare gör att du kan spara energi avsevärt, eftersom det gör det möjligt att använda stora pumpenheter med låga flödeshastigheter. Tack vare detta är det möjligt, genom att öka enhetskapaciteten för enheterna, att minska deras totala antal och följaktligen att minska byggnadernas övergripande dimensioner, att förenkla stationens hydrauliska schema och att minska antalet rörledningar ventiler.

Således tillåter användningen av justerbar elektrisk drivning i pumpenheter, tillsammans med att spara el och vatten, att minska antalet pumpenheter, att förenkla stationens hydrauliska krets och att minska konstruktionsvolymerna för pumpstationens byggnad.I detta sammanhang uppstår sekundära ekonomiska effekter: kostnaderna för uppvärmning, belysning och reparation av byggnaden minskar, de minskade kostnaderna, beroende på syftet med stationerna och andra specifika förhållanden, kan minskas med 20-50%.

Teknisk dokumentation för frekvensomriktare visar att användningen av en justerbar elektrisk drivning i pumpenheter gör att du kan spara upp till 50 % av energin som spenderas på att pumpa rent vatten och avloppsvatten, och återbetalningstiden är från tre till nio månader.

Samtidigt visar beräkningar och analyser av effektiviteten hos styrd elektrisk drivning i driftpumpaggregat att det för små pumpaggregat med enheter med en effekt på upp till 75 kW, särskilt när de arbetar med en stor statisk tryckkomponent, visar sig inte lämplig att använda kontrollerade elektriska drivningar. I dessa fall kan du använda enklare styrsystem genom att använda strypning, ändra antalet fungerande pumpenheter.

Användningen av variabel elektrisk drivning i pumpenheters automationssystem minskar å ena sidan energiförbrukningen, och å andra sidan kräver ytterligare kapitalkostnader, därför bestäms möjligheten att använda variabel elektrisk drivning i pumpenheter genom att jämföra de reducerade kostnaderna av två alternativ: grundläggande och ny. En pumpenhet utrustad med en justerbar elektrisk drivning tas som ett nytt alternativ, och en enhet vars enheter arbetar med konstant hastighet tas som huvudenhet.