Accionament elèctric d'unitats de bomba amb freqüència

Els modes de funcionament de les bombes centrífugues són els més eficients energèticament per ajustar canviant la velocitat de gir de les seves rodes. La velocitat de rotació de les rodes es pot canviar si s'utilitza un accionament elèctric ajustable com a motor d'accionament.
El disseny i les característiques de les turbines de gas i els motors de combustió interna són tals que poden proporcionar un canvi de velocitat de rotació dins del rang requerit.

El procés d'ajust de la velocitat de rotació de cada mecanisme s'analitza convenientment utilitzant les característiques mecàniques del dispositiu.

Considereu les característiques mecàniques d'una unitat de bombament formada per una bomba i un motor elèctric. A la fig. La figura 1 mostra les característiques mecàniques d'una bomba centrífuga equipada amb una vàlvula de retenció (corba 1) i un motor elèctric amb un rotor de gàbia d'esquirol (corba 2).

Arròs. 1. Característiques mecàniques de la unitat de bombeig

La diferència entre els valors de parell del motor elèctric i el parell de resistència de la bomba s'anomena parell dinàmic.Si el parell del motor és superior al moment de resistència de la bomba, el parell dinàmic es considera positiu, si és menor, és negatiu.

Sota la influència d'un moment dinàmic positiu, la unitat de bomba comença a funcionar amb acceleració, és a dir. accelera. Si el parell dinàmic és negatiu, la unitat de bomba funciona amb un retard, és a dir. alenteix.

Quan aquests moments són iguals, es produeix un mode de funcionament estacionari, és a dir. la unitat de bomba funciona a una velocitat constant. Aquesta velocitat i el parell corresponent estan determinats per la intersecció de les característiques mecàniques del motor elèctric i de la bomba (punt a de la figura 1).

Si en el procés d'ajustament d'una manera o altra la característica mecànica canvia, per exemple, per tornar-se més suau introduint una resistència addicional al circuit del rotor del motor elèctric (corba 3 a la figura 1), el parell del motor elèctric quedarà petit del moment de la resistència.

Sota la influència d'un parell dinàmic negatiu, la unitat de bomba comença a funcionar amb un retard, és a dir. s'alenteix fins que el parell i el moment de resistència es tornen a equilibrar (punt b de la figura 1). Aquest punt correspon al valor propi de la velocitat i el parell.

Així, el procés de control de la velocitat de gir de la unitat de bombament s'acompanya constantment de canvis en el parell del motor elèctric i el moment de resistència de la bomba.

El control de la velocitat de la bomba es pot fer canviant la velocitat del motor elèctric, que està connectat rígidament a la bomba, o canviant la relació d'engranatges de la transmissió que connecta la bomba amb el motor elèctric, que funciona a una velocitat constant.

Regulació de la velocitat de gir dels motors elèctrics

Els motors de CA s'utilitzen principalment en unitats de bombeig. La velocitat de rotació d'un motor de CA depèn de la freqüència del corrent d'alimentació f, del nombre de parells de pols p i del lliscament s. Si canvieu un o més d'aquests paràmetres, podeu canviar la velocitat del motor elèctric i de la bomba connectada a aquest.

L'element principal de l'accionament elèctric de freqüència és convertidor de freqüència… L'inversor té una freqüència de xarxa constant f1 convertida a la variable e2. Proporcionalment a la freqüència e2 varia la velocitat del motor elèctric connectat a la sortida del convertidor.

Amb un convertidor de freqüència, la tensió de xarxa U1 i la freqüència pràcticament no canvien f1 convertida en paràmetres variables U2 i e2 necessaris per al sistema de control. Per tal d'assegurar un funcionament estable del motor elèctric, per limitar la seva sobrecàrrega en termes de corrent i flux magnètic, per mantenir indicadors d'alta energia al convertidor de freqüència, s'ha de mantenir una certa relació entre els seus paràmetres d'entrada i sortida en funció del tipus de Característiques de la bomba mecànica. Aquestes relacions es deriven de l'equació de la llei de control de freqüència.

Per a les bombes, s'ha d'observar la relació:

U1 / f1 = U2 / f2 = const

A la fig. La figura 2 mostra les característiques mecàniques d'un motor d'inducció amb regulació de freqüència.A mesura que la freqüència f2 disminueix, la característica mecànica no només canvia la seva posició a les coordenades n — M, sinó que, fins a cert punt, canvia la seva forma. En particular, es redueix el parell màxim del motor elèctric. Això es deu al fet que amb una relació de U1 / f1 = U2 / f2 = const i el canvi de freqüència f1 no té en compte l'efecte de la resistència activa de l'estator sobre la magnitud del parell del motor.

Arròs. 2. Característiques mecàniques d'un accionament elèctric de freqüència a freqüències màximes (1) i reduïdes (2)

Quan s'ajusta la freqüència, tenint en compte aquesta influència, el parell màxim es manté sense canvis, es conserva la forma de la característica mecànica, només canvia la seva posició.

Convertidors de freqüència amb modulació d'amplada de pols (PWM) tenen característiques d'alta energia a causa del fet que la forma de les corbes de corrent i tensió que s'aproximen a la sinusoïdal es proporciona a la sortida del convertidor. Recentment, els convertidors de freqüència basats en mòduls IGBT (transistors bipolars de porta aïllada) són els més estesos.

El mòdul IGBT és un element clau d'alta eficiència. Disposa de baixa caiguda de tensió, alta velocitat i baixa potència de commutació. El convertidor de freqüència basat en mòduls IGBT amb PWM i algorisme vectorial per controlar un motor asíncron té avantatges respecte a altres tipus de convertidors. Té un factor de potència elevat en tot el rang de freqüències de sortida.

El diagrama esquemàtic del convertidor es mostra a la fig. 3.

Arròs. 3.Esquema d'un convertidor de freqüència de mòduls IGBT: 1 — bloc de ventiladors; 2 — font d'alimentació; 3 — rectificador no controlat; 4 — panell de control; 5 — tauler de control; 6 — PWM; 7 — unitat de conversió de tensió; 8 — placa de control del sistema; 9 — conductors; 10 — fusibles per a la unitat inversora; 11 — sensors de corrent; 12 — motor asíncron de gàbia d'esquirol; Q1, Q2, Q3: interruptors per a circuit d'alimentació, circuit de control i unitat de ventilador; K1, K2 - contactors per a la càrrega de condensadors i circuit de potència; C - banc de condensadors; Rl, R2, R3 - resistències per limitar el corrent de càrrega del condensador, la descàrrega dels condensadors i el bloc de drenatge; VT - Interruptors d'alimentació inversor (mòduls IGBT)

A la sortida del convertidor de freqüència, es forma una corba de tensió (corrent), lleugerament diferent d'una sinusoide, que conté components harmònics més alts. La seva presència comporta un augment de les pèrdues en el motor elèctric. Per aquest motiu, quan l'accionament elèctric funciona a una velocitat propera a la velocitat nominal, el motor elèctric es sobrecarrega.

Quan es treballa a velocitats reduïdes, les condicions de refrigeració dels motors elèctrics autoventilats utilitzats en els accionaments de les bombes es deterioren. En el rang de control normal de les unitats de bombeig (1:2 o 1:3), aquest deteriorament de les condicions de ventilació es compensa amb una reducció important de la càrrega a causa d'una reducció del cabal i de la capçalera de la bomba.

Quan es treballa a freqüències properes al valor nominal (50 Hz), el deteriorament de les condicions de refrigeració en combinació amb l'aparició d'harmònics d'ordre superior requereix una reducció de la potència mecànica admissible en un 8-15%.A causa d'això, el parell màxim del motor elèctric es redueix en un 1 - 2%, la seva eficiència - en un 1 - 4%, cosφ - en un 5-7%.

Per evitar la sobrecàrrega del motor elèctric, cal o bé limitar el valor superior de la seva velocitat o bé equipar el variador amb un motor elèctric més potent. L'última mesura és obligatòria quan la unitat de bombeig està dissenyada per funcionar a una freqüència e2> 50 Hz. La limitació del valor superior de les revolucions del motor es fa limitant la freqüència e2 a 48 Hz. L'augment de la potència nominal del motor d'accionament s'arrodoneix al valor estàndard més proper.

Control grupal d'accionaments de bloc elèctric variable

Molts conjunts de bombes consisteixen en diversos blocs. Per regla general, no totes les unitats estan equipades amb un accionament elèctric ajustable. A partir de dues o tres unitats instal·lades, n'hi ha prou amb equipar-ne una amb un accionament elèctric ajustable. Si un convertidor està connectat permanentment a una de les unitats, hi ha un consum desigual del seu recurs motor, ja que la unitat equipada amb un variador de velocitat s'utilitza durant molt més temps.

Per a una distribució uniforme de la càrrega entre tots els blocs instal·lats a l'estació, s'han desenvolupat estacions de control grupal, amb l'ajuda de les quals els blocs es poden connectar en sèrie al convertidor. Les estacions de control es fabriquen normalment per a unitats de baixa tensió (380 V).

Normalment, les estacions de control de baixa tensió estan dissenyades per controlar dues o tres unitats.Les estacions de control de baixa tensió inclouen interruptors automàtics que proporcionen protecció contra curtcircuits de fase fase i connexió a terra, relés tèrmics per protegir els dispositius de sobrecàrregues, així com equips de control (interruptors, publicacions de botons i altres.).

El circuit de commutació de l'estació de control conté els enclavaments necessaris que permeten connectar el convertidor de freqüència a qualsevol bloc seleccionat i substituir els blocs de treball sense pertorbar el mode de funcionament tecnològic de la unitat de bombeig o bufat.

Les estacions de control, per regla general, juntament amb els elements de potència (interruptors automàtics, contactors, etc.) contenen dispositius de control i regulació (controladors de microprocessador, etc.).

A petició del client, les estacions estan equipades amb dispositius per a l'encesa automàtica d'energia de reserva (ATS), mesura comercial de l'electricitat consumida, control d'equips d'aturada.

Si cal, s'introdueixen dispositius addicionals a l'estació de control, que asseguren l'ús, juntament amb el convertidor de freqüència, de l'arrencada suau de les unitats.

Les estacions de control automatitzades ofereixen:

• mantenint el valor establert del paràmetre tecnològic (pressió, nivell, temperatura, etc.);

• control dels modes de funcionament dels motors elèctrics d'unitats regulades i no regulades (control de corrent consumida, potència) i la seva protecció;

• inici automàtic del dispositiu de còpia de seguretat en cas de fallada del dispositiu principal;

• commutació de blocs directament a la xarxa en cas de fallada del convertidor de freqüència;

• encès automàtic de l'entrada elèctrica de reserva (ATS);

• reconnexió automàtica (AR) de l'estació després de pèrdues i caigudes de tensió profundes a la xarxa d'alimentació;

• canvi automàtic del mode de funcionament de l'estació amb aturada i posada en marxa de les unitats de treball en un moment determinat;

• activació automàtica d'una unitat addicional no regulada si la unitat controlada, aconseguint la velocitat nominal, no proporcionava el subministrament d'aigua necessari;

• alternança automàtica de blocs de treball a determinats intervals per garantir un consum uniforme dels recursos motors;

• control operatiu del mode de funcionament de la unitat de bombeig (bufat) des del tauler de control o des del tauler de control.

Arròs. 4. Estació de control grupal d'accionaments elèctrics de bombes de freqüència variable

L'eficiència d'utilitzar la freqüència variable en les unitats de bombeig

L'ús d'un variador de freqüència permet un estalvi d'energia important, ja que permet utilitzar grans unitats de bombeig a cabals baixos. Gràcies a això, és possible, augmentant la capacitat unitaria de les unitats, reduir-ne el nombre total i, en conseqüència, reduir les dimensions globals dels edificis, simplificar l'esquema hidràulic de l'estació i reduir el nombre de canonades. vàlvules.

Així, l'ús d'accionament elèctric ajustable a les unitats de bombeig permet, juntament amb l'estalvi d'electricitat i aigua, reduir el nombre d'unitats de bombeig, simplificar el circuit hidràulic de l'estació i reduir els volums de construcció de l'edifici de l'estació de bombeig.En aquest sentit, sorgeixen efectes econòmics secundaris: es redueixen els costos de calefacció, il·luminació i reparació de l'edifici, els costos reduïts, segons la finalitat de les estacions i altres condicions específiques, es poden reduir en un 20-50%.

La documentació tècnica dels convertidors de freqüència mostra que l'ús d'un accionament elèctric ajustable a les unitats de bombeig permet estalviar fins a un 50% de l'energia gastada en el bombeig d'aigües netes i residuals, i el període d'amortització és de tres a nou mesos.

Al mateix temps, els càlculs i l'anàlisi de l'eficàcia de l'accionament elèctric controlat en unitats de bombes en funcionament mostren que per a unitats de bombes petites amb unitats amb una potència de fins a 75 kW, especialment quan treballen amb un component de pressió estàtica gran, resulta que no apte per utilitzar accionaments elèctrics controlats. En aquests casos, podeu utilitzar sistemes de control més senzills mitjançant l'acceleració, canviant el nombre d'unitats de bomba en funcionament.

L'ús d'accionament elèctric variable en sistemes d'automatització d'unitats de bomba, d'una banda, redueix el consum d'energia i, d'altra banda, requereix costos de capital addicionals, per tant, la possibilitat d'utilitzar accionament elèctric variable en unitats de bomba es determina comparant els costos reduïts. de dues opcions: bàsica i nova. Una unitat de bombeig equipada amb un accionament elèctric ajustable es pren com a nova opció, i una unitat les unitats de la qual funcionen a una velocitat constant es pren com a principal.