Ηλεκτρική κίνηση αντλιών με συχνότητα

Οι τρόποι λειτουργίας των φυγοκεντρικών αντλιών είναι οι πιο ενεργειακά αποδοτικοί για προσαρμογή αλλάζοντας την ταχύτητα περιστροφής των τροχών τους. Η ταχύτητα περιστροφής των τροχών μπορεί να αλλάξει εάν χρησιμοποιείται ρυθμιζόμενος ηλεκτροκινητήρας ως κινητήριος κινητήρας.
Ο σχεδιασμός και τα χαρακτηριστικά των αεριοστροβίλων και των κινητήρων εσωτερικής καύσης είναι τέτοια που μπορούν να παρέχουν αλλαγή στην ταχύτητα περιστροφής εντός του απαιτούμενου εύρους.

Η διαδικασία ρύθμισης της ταχύτητας περιστροφής κάθε μηχανισμού αναλύεται εύκολα χρησιμοποιώντας τα μηχανικά χαρακτηριστικά της συσκευής.

Εξετάστε τα μηχανικά χαρακτηριστικά μιας αντλητικής μονάδας που αποτελείται από μια αντλία και έναν ηλεκτροκινητήρα. Στο σχ. Το σχήμα 1 δείχνει τα μηχανικά χαρακτηριστικά μιας φυγοκεντρικής αντλίας εξοπλισμένης με βαλβίδα αντεπιστροφής (καμπύλη 1) και ηλεκτρικό κινητήρα με ρότορα κλωβού σκίουρου (καμπύλη 2).

Ρύζι. 1. Μηχανικά χαρακτηριστικά της αντλητικής μονάδας

Η διαφορά μεταξύ των τιμών ροπής του ηλεκτροκινητήρα και της ροπής αντίστασης της αντλίας ονομάζεται δυναμική ροπή.Εάν η ροπή του κινητήρα είναι μεγαλύτερη από τη στιγμή αντίστασης της αντλίας, η δυναμική ροπή θεωρείται θετική, εάν είναι μικρότερη, είναι αρνητική.

Υπό την επίδραση μιας θετικής δυναμικής ροπής, η μονάδα αντλίας αρχίζει να λειτουργεί με επιτάχυνση, δηλ. επιταχύνει. Εάν η δυναμική ροπή είναι αρνητική, η μονάδα αντλίας λειτουργεί με καθυστέρηση, δηλ. επιβραδύνει.

Όταν αυτές οι ροπές είναι ίσες, λαμβάνει χώρα ένας ακίνητος τρόπος λειτουργίας, δηλ. η μονάδα αντλίας λειτουργεί με σταθερή ταχύτητα. Αυτή η ταχύτητα και η αντίστοιχη ροπή προσδιορίζονται από τη διασταύρωση των μηχανικών χαρακτηριστικών του ηλεκτροκινητήρα και της αντλίας (σημείο α στο Σχ. 1).

Εάν κατά τη διαδικασία προσαρμογής με τον ένα ή τον άλλο τρόπο τα μηχανικά χαρακτηριστικά αλλάξουν, για παράδειγμα, για να γίνουν πιο μαλακά με την εισαγωγή μιας πρόσθετης αντίστασης στο κύκλωμα του ρότορα του ηλεκτροκινητήρα (καμπύλη 3 στο Σχ. 1), η ροπή του ηλεκτροκινητήρα θα γίνει μικρό της στιγμής της αντίστασης.

Υπό την επίδραση μιας αρνητικής δυναμικής ροπής, η μονάδα αντλίας αρχίζει να λειτουργεί με καθυστέρηση, δηλ. επιβραδύνει έως ότου η ροπή ροπής και αντίστασης ισορροπήσουν ξανά (σημείο b στο Σχ. 1). Αυτό το σημείο αντιστοιχεί στην ιδιοτιμή της ταχύτητας και της ροπής.

Έτσι, η διαδικασία ελέγχου της ταχύτητας περιστροφής της μονάδας άντλησης συνοδεύεται συνεχώς από αλλαγές στη ροπή του ηλεκτροκινητήρα και τη στιγμή αντίστασης της αντλίας.

Ο έλεγχος της ταχύτητας της αντλίας μπορεί να γίνει είτε αλλάζοντας την ταχύτητα του ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος είναι άκαμπτα συνδεδεμένος με την αντλία, είτε αλλάζοντας την σχέση μετάδοσης κίνησης του κιβωτίου ταχυτήτων που συνδέει την αντλία με τον ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος λειτουργεί με σταθερή ταχύτητα.

Ρύθμιση της ταχύτητας περιστροφής των ηλεκτροκινητήρων

Οι κινητήρες AC χρησιμοποιούνται κυρίως σε μονάδες άντλησης. Η ταχύτητα περιστροφής ενός κινητήρα AC εξαρτάται από τη συχνότητα του ρεύματος τροφοδοσίας f, τον αριθμό των ζευγών πόλων p και την ολίσθηση s. Αλλάζοντας μία ή περισσότερες από αυτές τις παραμέτρους, μπορείτε να αλλάξετε την ταχύτητα του ηλεκτροκινητήρα και της αντλίας που είναι συνδεδεμένη σε αυτόν.

Το κύριο στοιχείο της ηλεκτρικής κίνησης συχνότητας είναι μετατροπέας συχνότητας… Ο μετατροπέας έχει σταθερή συχνότητα δικτύου f1 που έχει μετατραπεί σε μεταβλητή e2. Ανάλογα με τη συχνότητα e2 αλλάζει η ταχύτητα του ηλεκτροκινητήρα που είναι συνδεδεμένος στην έξοδο του μετατροπέα.

Με έναν μετατροπέα συχνότητας, η τάση δικτύου U1 και η συχνότητα πρακτικά δεν αλλάζουν το f1 που μετατρέπεται σε μεταβλητές παραμέτρους U2 και e2 που είναι απαραίτητες για το σύστημα ελέγχου. Προκειμένου να διασφαλιστεί η σταθερή λειτουργία του ηλεκτροκινητήρα, να περιοριστεί η υπερφόρτωσή του από άποψη ρεύματος και μαγνητικής ροής, να διατηρηθούν υψηλοί δείκτες ενέργειας στον μετατροπέα συχνότητας, πρέπει να διατηρείται μια ορισμένη αναλογία μεταξύ των παραμέτρων εισόδου και εξόδου του ανάλογα με τον τύπο χαρακτηριστικά μηχανικής αντλίας. Αυτές οι σχέσεις προέρχονται από την εξίσωση του νόμου ελέγχου συχνότητας.

Για τις αντλίες, πρέπει να τηρείται η αναλογία:

U1 / f1 = U2 / f2 = συνεχ

Στο σχ. Το σχήμα 2 δείχνει τα μηχανικά χαρακτηριστικά ενός επαγωγικού κινητήρα με ρύθμιση συχνότητας.Καθώς η συχνότητα f2 μειώνεται, το μηχανικό χαρακτηριστικό όχι μόνο αλλάζει τη θέση του στις συντεταγμένες n — M, αλλά σε κάποιο βαθμό αλλάζει το σχήμα του. Συγκεκριμένα, μειώνεται η μέγιστη ροπή του ηλεκτροκινητήρα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι με λόγο U1 / f1 = U2 / f2 = const και η αλλαγή στη συχνότητα f1 δεν λαμβάνει υπόψη την επίδραση της ενεργού αντίστασης του στάτη στο μέγεθος της ροπής του κινητήρα.

Ρύζι. 2. Μηχανικά χαρακτηριστικά ηλεκτρικής κίνησης συχνότητας σε μέγιστες (1) και μειωμένες (2) συχνότητες

Κατά τη ρύθμιση της συχνότητας, λαμβάνοντας υπόψη αυτή την επίδραση, η μέγιστη ροπή παραμένει αμετάβλητη, διατηρείται το σχήμα του μηχανικού χαρακτηριστικού, αλλάζει μόνο η θέση του.

Μετατροπείς συχνότητας με διαμόρφωση πλάτους παλμού (PWM) έχουν υψηλά ενεργειακά χαρακτηριστικά λόγω του γεγονότος ότι το σχήμα των καμπυλών ρεύματος και τάσης που πλησιάζουν το ημιτονοειδές παρέχεται στην έξοδο του μετατροπέα. Πρόσφατα, οι μετατροπείς συχνότητας που βασίζονται σε μονάδες IGBT (μονωμένα διπολικά τρανζίστορ πύλης) είναι οι πιο διαδεδομένοι.

Η μονάδα IGBT είναι ένα βασικό στοιχείο υψηλής απόδοσης. Διαθέτει χαμηλή πτώση τάσης, υψηλή ταχύτητα και χαμηλή ισχύ μεταγωγής. Ο μετατροπέας συχνότητας που βασίζεται σε μονάδες IGBT με PWM και διανυσματικό αλγόριθμο για τον έλεγχο ενός ασύγχρονου κινητήρα έχει πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλους τύπους μετατροπέων. Έχει υψηλό συντελεστή ισχύος σε όλο το εύρος συχνοτήτων εξόδου.

Το σχηματικό διάγραμμα του μετατροπέα φαίνεται στο σχ. 3.

Ρύζι. 3.Σχέδιο μετατροπέα συχνότητας μονάδων IGBT: 1 — μπλοκ ανεμιστήρων. 2 — τροφοδοτικό. 3 — μη ελεγχόμενος ανορθωτής. 4 — πίνακας ελέγχου. 5 — πίνακας πίνακα ελέγχου. 6 — PWM; 7 — μονάδα μετατροπής τάσης. 8 — πίνακας ελέγχου συστήματος. 9 — οδηγοί. 10 — ασφάλειες για τη μονάδα μετατροπέα. 11 — αισθητήρες ρεύματος. 12 — ασύγχρονος κινητήρας κλωβού σκίουρου. Q1, Q2, Q3 — διακόπτες για κύκλωμα ισχύος, κύκλωμα ελέγχου και μονάδα ανεμιστήρα. K1, K2 — επαφές για φόρτιση πυκνωτών και κυκλώματος ισχύος. C — συστοιχία πυκνωτών. Rl, R2, R3 — αντιστάσεις για τον περιορισμό του ρεύματος της φόρτισης του πυκνωτή, της εκφόρτισης των πυκνωτών και του μπλοκ αποστράγγισης. VT - Διακόπτες ισχύος μετατροπέα (Μονάδες IGBT)

Στην έξοδο του μετατροπέα συχνότητας, σχηματίζεται μια καμπύλη τάσης (ρεύματος), ελαφρώς διαφορετική από ένα ημιτονοειδές, που περιέχει υψηλότερες αρμονικές συνιστώσες. Η παρουσία τους οδηγεί σε αύξηση των απωλειών στον ηλεκτροκινητήρα. Για το λόγο αυτό, όταν ο ηλεκτροκινητήρας λειτουργεί με ταχύτητα κοντά στην ονομαστική ταχύτητα, ο ηλεκτροκινητήρας υπερφορτώνεται.

Όταν λειτουργούν σε μειωμένες ταχύτητες, οι συνθήκες ψύξης για αυτοαεριζόμενους ηλεκτρικούς κινητήρες που χρησιμοποιούνται σε κινητήρες αντλιών χειροτερεύουν. Στο κανονικό εύρος ελέγχου των μονάδων άντλησης (1: 2 ή 1: 3), αυτή η επιδείνωση των συνθηκών αερισμού αντισταθμίζεται από σημαντική μείωση του φορτίου λόγω μείωσης της παροχής και της κεφαλής της αντλίας.

Όταν λειτουργεί σε συχνότητες κοντά στην ονομαστική τιμή (50 Hz), η επιδείνωση των συνθηκών ψύξης σε συνδυασμό με την εμφάνιση αρμονικών υψηλότερης τάξης απαιτεί μείωση της επιτρεπόμενης μηχανικής ισχύος κατά 8-15%.Λόγω αυτού, η μέγιστη ροπή του ηλεκτροκινητήρα μειώνεται κατά 1 — 2%, η απόδοσή του — κατά 1 — 4%, cosφ — κατά 5-7%.

Προκειμένου να αποφευχθεί η υπερφόρτωση του ηλεκτροκινητήρα, είναι απαραίτητο είτε να περιοριστεί η ανώτερη τιμή της ταχύτητάς του είτε να εξοπλιστεί ο ηλεκτροκινητήρας με έναν ισχυρότερο ηλεκτροκινητήρα. Το τελευταίο μέτρο είναι υποχρεωτικό όταν η μονάδα άντλησης είναι σχεδιασμένη να λειτουργεί σε συχνότητα e2> 50 Hz. Ο περιορισμός της ανώτερης τιμής των στροφών του κινητήρα γίνεται με τον περιορισμό της συχνότητας e2 στα 48 Hz. Η αύξηση της ονομαστικής ισχύος του κινητήρα μετάδοσης κίνησης στρογγυλοποιείται στην πλησιέστερη τυπική τιμή.

Ομαδικός έλεγχος μεταβλητών ηλεκτροκίνητων μπλοκ

Πολλά σετ αντλιών αποτελούνται από πολλά μπλοκ. Κατά κανόνα, δεν είναι όλες οι μονάδες εξοπλισμένες με ρυθμιζόμενη ηλεκτρική κίνηση. Από δύο ή τρεις εγκατεστημένες μονάδες, αρκεί να εξοπλίσετε μία με ρυθμιζόμενη ηλεκτρική κίνηση. Εάν ένας μετατροπέας είναι μόνιμα συνδεδεμένος σε μία από τις μονάδες, υπάρχει ανομοιόμορφη κατανάλωση των πόρων κινητήρα τους, καθώς η μονάδα που είναι εξοπλισμένη με μονάδα μεταβλητής ταχύτητας χρησιμοποιείται για πολύ μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.

Για ομοιόμορφη κατανομή του φορτίου μεταξύ όλων των μπλοκ που είναι εγκατεστημένα στο σταθμό, έχουν αναπτυχθεί σταθμοί ομαδικού ελέγχου, με τη βοήθεια των οποίων τα μπλοκ μπορούν να συνδεθούν σε σειρά με τον μετατροπέα. Οι σταθμοί ελέγχου κατασκευάζονται συνήθως για μονάδες χαμηλής τάσης (380 V).

Συνήθως, οι σταθμοί ελέγχου χαμηλής τάσης έχουν σχεδιαστεί για να ελέγχουν δύο ή τρεις μονάδες.Οι σταθμοί ελέγχου χαμηλής τάσης περιλαμβάνουν διακόπτες κυκλώματος που παρέχουν προστασία από βραχυκύκλωμα φάσης φάσης και γείωση, θερμικά ρελέ για την προστασία των συσκευών από υπερφόρτωση, καθώς και εξοπλισμό ελέγχου (διακόπτες, αναρτήσεις κουμπιών και άλλοι.).

Το κύκλωμα μεταγωγής του σταθμού ελέγχου περιέχει τις απαραίτητες ασφάλειες που επιτρέπουν στον μετατροπέα συχνότητας να συνδεθεί σε οποιοδήποτε επιλεγμένο μπλοκ και να αντικαταστήσει τα μπλοκ εργασίας χωρίς να διαταραχθεί ο τεχνολογικός τρόπος λειτουργίας της μονάδας άντλησης ή εμφύσησης.

Οι σταθμοί ελέγχου, κατά κανόνα, μαζί με τα στοιχεία ισχύος (αυτόματοι διακόπτες, επαφές κ.λπ.) περιέχουν συσκευές ελέγχου και ρύθμισης (ελεγκτές μικροεπεξεργαστή κ.λπ.).

Κατόπιν αιτήματος του πελάτη, οι σταθμοί είναι εξοπλισμένοι με συσκευές αυτόματης ενεργοποίησης εφεδρικής ισχύος (ATS), εμπορικής μέτρησης καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, ελέγχου εξοπλισμού διακοπής λειτουργίας.

Εάν είναι απαραίτητο, εισάγονται πρόσθετες συσκευές στο σταθμό ελέγχου, οι οποίες διασφαλίζουν τη χρήση, μαζί με τον μετατροπέα συχνότητας, του μαλακού εκκινητή των μονάδων.

Οι αυτοματοποιημένοι σταθμοί ελέγχου παρέχουν:

• διατήρηση της καθορισμένης τιμής της τεχνολογικής παραμέτρου (πίεση, επίπεδο, θερμοκρασία κ.λπ.).

• έλεγχος των τρόπων λειτουργίας ηλεκτρικών κινητήρων ρυθμιζόμενων και μη ρυθμιζόμενων μονάδων (έλεγχος καταναλωμένου ρεύματος, ισχύς) και προστασία τους.

• αυτόματη εκκίνηση της εφεδρικής συσκευής σε περίπτωση βλάβης της κύριας συσκευής.

• μεταγωγή μπλοκ απευθείας στο δίκτυο σε περίπτωση βλάβης του μετατροπέα συχνότητας.

• αυτόματη ενεργοποίηση της εφεδρικής ηλεκτρικής εισόδου (ATS).

• αυτόματη επανασύνδεση (AR) του σταθμού μετά από απώλεια και βαθιές πτώσεις τάσης στο δίκτυο τροφοδοσίας.

• αυτόματη αλλαγή του τρόπου λειτουργίας του σταθμού με διακοπή και εκκίνηση των μονάδων εργασίας σε μια δεδομένη στιγμή.

• αυτόματη ενεργοποίηση μιας πρόσθετης μη ρυθμιζόμενης μονάδας εάν η ελεγχόμενη μονάδα, φτάνοντας την ονομαστική ταχύτητα, δεν παρείχε την απαραίτητη παροχή νερού.

• αυτόματη εναλλαγή των μπλοκ εργασίας σε ορισμένα διαστήματα για να εξασφαλιστεί η ομοιόμορφη κατανάλωση των πόρων κινητήρα.

• λειτουργικός έλεγχος του τρόπου λειτουργίας της μονάδας άντλησης (φυσήματος) από τον πίνακα ελέγχου ή από τον πίνακα ελέγχου.

Ρύζι. 4. Σταθμός ομαδικού ελέγχου ηλεκτροκινητήρων αντλιών μεταβλητής συχνότητας

Η αποτελεσματικότητα χρήσης μεταβλητής συχνότητας σε αντλητικές μονάδες

Η χρήση μονάδας μεταβλητής συχνότητας σάς επιτρέπει να εξοικονομείτε σημαντικά ενέργεια, καθώς καθιστά δυνατή τη χρήση μεγάλων μονάδων άντλησης σε χαμηλούς ρυθμούς ροής. Χάρη σε αυτό, είναι δυνατό, αυξάνοντας τη χωρητικότητα της μονάδας των μονάδων, να μειωθεί ο συνολικός αριθμός τους και, κατά συνέπεια, να μειωθούν οι συνολικές διαστάσεις των κτιρίων, να απλοποιηθεί το υδραυλικό σχήμα του σταθμού και να μειωθεί ο αριθμός των αγωγών βαλβίδες.

Έτσι, η χρήση ρυθμιζόμενης ηλεκτρικής κίνησης σε αντλητικές μονάδες επιτρέπει, μαζί με την εξοικονόμηση ηλεκτρικής ενέργειας και νερού, τη μείωση του αριθμού των αντλιοστασίων, την απλοποίηση του υδραυλικού κυκλώματος του σταθμού και τη μείωση των όγκων κατασκευής του κτιρίου του αντλιοστασίου.Σε αυτό το πλαίσιο, προκύπτουν δευτερεύουσες οικονομικές επιπτώσεις: το κόστος θέρμανσης, φωτισμού και επισκευής του κτιρίου μειώνεται, το μειωμένο κόστος, ανάλογα με τον σκοπό των σταθμών και άλλες ειδικές συνθήκες, μπορεί να μειωθεί κατά 20-50%.

Η τεχνική τεκμηρίωση για τους μετατροπείς συχνότητας δείχνει ότι η χρήση ρυθμιζόμενης ηλεκτρικής κίνησης σε μονάδες άντλησης σάς επιτρέπει να εξοικονομήσετε έως και 50% της ενέργειας που δαπανάται για την άντληση καθαρών και αποβλήτων υδάτων και η περίοδος απόσβεσης είναι από τρεις έως εννέα μήνες.

Ταυτόχρονα, οι υπολογισμοί και η ανάλυση της αποτελεσματικότητας της ελεγχόμενης ηλεκτρικής κίνησης σε μονάδες αντλίας λειτουργίας δείχνουν ότι για μικρές αντλίες με μονάδες ισχύος έως 75 kW, ειδικά όταν λειτουργούν με εξάρτημα μεγάλης στατικής πίεσης, αποδεικνύεται ακατάλληλο για χρήση ελεγχόμενων ηλεκτροκινητήρων. Σε αυτές τις περιπτώσεις, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε απλούστερα συστήματα ελέγχου χρησιμοποιώντας στραγγαλισμό, αλλάζοντας τον αριθμό των μονάδων αντλίας που λειτουργούν.

Η χρήση μεταβλητής ηλεκτρικής κίνησης σε συστήματα αυτοματισμού μονάδων αντλίας, αφενός, μειώνει την κατανάλωση ενέργειας και, αφετέρου, απαιτεί πρόσθετο κόστος κεφαλαίου, επομένως η δυνατότητα χρήσης μεταβλητής ηλεκτρικής κίνησης σε μονάδες αντλίας προσδιορίζεται συγκρίνοντας το μειωμένο κόστος δύο επιλογών: βασική και νέα. Μια μονάδα άντλησης εξοπλισμένη με ρυθμιζόμενη ηλεκτρική κίνηση λαμβάνεται ως νέα επιλογή και μια μονάδα της οποίας οι μονάδες λειτουργούν με σταθερή ταχύτητα λαμβάνεται ως κύρια.