Elektrische aandrijving van pompunits met frequentie

De bedrijfsmodi van centrifugaalpompen zijn het meest energiezuinig om aan te passen door de rotatiesnelheid van hun wielen te veranderen. De rotatiesnelheid van de wielen kan worden gewijzigd als een instelbare elektrische aandrijving als aandrijfmotor wordt gebruikt.
Het ontwerp en de eigenschappen van gasturbines en verbrandingsmotoren zijn zodanig dat ze binnen het vereiste bereik een verandering van het toerental kunnen bewerkstelligen.

Het proces van het aanpassen van de rotatiesnelheid van elk mechanisme wordt gemakkelijk geanalyseerd met behulp van de mechanische kenmerken van het apparaat.

Overweeg de mechanische kenmerken van een pompeenheid bestaande uit een pomp en een elektromotor. In afb. 1 toont de mechanische kenmerken van een centrifugaalpomp die is uitgerust met een terugslagklep (curve 1) en een elektromotor met kooiankerrotor (curve 2).

Rijst. 1. Mechanische kenmerken van de pompeenheid

Het verschil tussen de koppelwaarden van de elektromotor en het weerstandskoppel van de pomp wordt het dynamische koppel genoemd.Als het koppel van de motor groter is dan het weerstandsmoment van de pomp, wordt het dynamische koppel als positief beschouwd, als het minder is, is het negatief.

Onder invloed van een positief dynamisch moment begint de pompeenheid te werken met versnelling, d.w.z. versnelt. Als het dynamische koppel negatief is, werkt de pompeenheid vertraagd, d.w.z. vertraagt.

Wanneer deze momenten gelijk zijn, vindt een stationaire bedrijfsmodus plaats, d.w.z. de pompunit werkt met een constant toerental. Dit toerental en het bijbehorende koppel worden bepaald door het snijpunt van de mechanische eigenschappen van de elektromotor en de pomp (punt a in afb. 1).

Als tijdens het afstellen op de een of andere manier de mechanische karakteristiek verandert, bijvoorbeeld om zachter te worden door een extra weerstand in het rotorcircuit van de elektromotor te introduceren (curve 3 in Fig. 1), zal het koppel van de elektromotor zal klein worden van het moment van weerstand.

Onder invloed van een negatief dynamisch koppel begint de pompeenheid vertraagd te werken, d.w.z. vertraagt ​​totdat het koppel en het weerstandsmoment weer in balans zijn (punt b in Fig. 1). Dit punt komt overeen met de eigenwaarde van toerental en koppel.

Het proces van het regelen van de rotatiesnelheid van de pompeenheid gaat dus constant gepaard met veranderingen in het koppel van de elektromotor en het weerstandsmoment van de pomp.

De pompsnelheid kan worden geregeld door ofwel de snelheid van de elektromotor, die vast met de pomp is verbonden, te wijzigen, ofwel door de overbrengingsverhouding te wijzigen van de transmissie die de pomp verbindt met de elektromotor, die met een constant toerental draait.

Regeling van de rotatiesnelheid van elektromotoren

Wisselstroommotoren worden voornamelijk gebruikt in pompunits. Het toerental van een draaistroommotor is afhankelijk van de frequentie van de voedingsstroom f, het aantal poolparen p en de slip s. Door een of meer van deze parameters te wijzigen, kunt u het toerental van de elektromotor en de daarop aangesloten pomp wijzigen.

Het belangrijkste element van de frequentie elektrische aandrijving is frequentie omzetter… De omvormer heeft een constante netfrequentie f1 omgerekend naar variabele e2. Evenredig aan de frequentie e2 verandert de snelheid van de elektromotor die is aangesloten op de uitgang van de omvormer.

Bij een frequentieomvormer veranderen de netspanning U1 en de frequentie praktisch niet f1 omgezet in variabele parameters U2 en e2 die nodig zijn voor het regelsysteem. Om een ​​stabiele werking van de elektromotor te garanderen, om de overbelasting ervan in termen van stroom en magnetische flux te beperken, om hoogenergetische indicatoren in de frequentieomvormer te behouden, moet een bepaalde verhouding tussen de ingangs- en uitgangsparameters worden gehandhaafd, afhankelijk van het type mechanische pompkarakteristieken. Deze relaties zijn afgeleid van de frequentieregelwetvergelijking.

Voor pompen moet de verhouding in acht worden genomen:

U1 / f1 = U2 / f2 = const

In afb. 2 toont de mechanische kenmerken van een inductiemotor met frequentieregeling.Naarmate de frequentie f2 afneemt, verandert de mechanische karakteristiek niet alleen van positie in de n — M coördinaten, maar verandert ook tot op zekere hoogte van vorm. Met name het maximale koppel van de elektromotor wordt verlaagd. Dit komt door het feit dat met een verhouding van U1 / f1 = U2 / f2 = const en de verandering in frequentie f1 geen rekening wordt gehouden met het effect van de actieve weerstand van de stator op de grootte van het motorkoppel.

Rijst. 2. Mechanische kenmerken van een frequentie-elektrische aandrijving bij maximale (1) en verlaagde (2) frequenties

Bij het aanpassen van de frequentie, rekening houdend met deze invloed, blijft het maximale koppel ongewijzigd, de vorm van de mechanische eigenschap blijft behouden, alleen de positie verandert.

Frequentieomvormers met pulsbreedtemodulatie (PWM) hebben hoge energiekarakteristieken vanwege het feit dat de vorm van de stroom- en spanningscurven die de sinusoïdale naderen, wordt geleverd aan de uitgang van de omzetter. De laatste tijd zijn frequentieomvormers op basis van IGBT-modules (insulated gate bipolar transistors) het meest gangbaar.

De IGBT-module is een zeer efficiënt sleutelelement. Het beschikt over een laag spanningsverlies, hoge snelheid en laag schakelvermogen. De frequentieomvormer op basis van IGBT-modules met PWM en vectoralgoritme voor het aansturen van een asynchrone motor heeft voordelen ten opzichte van andere soorten omvormers. Het heeft een hoge vermogensfactor over het gehele uitgangsfrequentiebereik.

Het schematische diagram van de omvormer wordt getoond in Fig. 3.

Rijst. 3.Schema van een frequentieomvormer van IGBT-modules: 1 — blok ventilatoren; 2 — voeding; 3 — ongecontroleerde gelijkrichter; 4 — bedieningspaneel; 5 — bedieningspaneel; 6 — PWM; 7 — spanningsconversie-eenheid; 8 — systeembesturingskaart; 9 — chauffeurs; 10 — zekeringen voor de invertereenheid; 11 — stroomsensoren; 12 - asynchrone kooiankermotor; Q1, Q2, Q3 — schakelaars voor vermogenscircuit, regelcircuit en ventilatoreenheid; K1, K2 - schakelaars voor het opladen van condensatoren en stroomcircuit; C - condensatorbank; Rl, R2, R3 - weerstanden voor het beperken van de stroom van de condensatorlading, de ontlading van de condensatoren en het afvoerblok; VT - Inverter-vermogensschakelaars (IGBT-modules)

Aan de uitgang van de frequentieomvormer wordt een spannings- (stroom)kromme gevormd, iets anders dan een sinusoïde, met hogere harmonische componenten. Hun aanwezigheid leidt tot een toename van verliezen in de elektromotor. Om deze reden wordt de elektromotor overbelast wanneer de elektrische aandrijving werkt met een snelheid die dicht bij het nominale toerental ligt.

Bij lagere snelheden verslechteren de koelcondities voor zelfgeventileerde elektromotoren die worden gebruikt in pompaandrijvingen. In het normale regelbereik van de pompunits (1: 2 of 1: 3) wordt deze verslechtering van de ventilatieomstandigheden gecompenseerd door een aanzienlijke vermindering van de belasting als gevolg van een vermindering van het debiet en de pompkop.

Bij gebruik bij frequenties dicht bij de nominale waarde (50 Hz), vereist de verslechtering van de koelomstandigheden in combinatie met het optreden van harmonischen van hogere orde een vermindering van het toegestane mechanische vermogen met 8-15%.Hierdoor wordt het maximale koppel van de elektromotor verminderd met 1 - 2%, het rendement - met 1 - 4%, cosφ - met 5-7%.

Om overbelasting van de elektromotor te voorkomen, is het noodzakelijk om de bovenwaarde van zijn snelheid te beperken of de aandrijving uit te rusten met een krachtigere elektromotor. De laatste maatregel is verplicht wanneer de pompeenheid is ontworpen om te werken met een frequentie e2 > 50 Hz. Het begrenzen van de bovenwaarde van het motortoerental gebeurt door de frequentie e2 te begrenzen op 48 Hz. De toename van het nominale vermogen van de aandrijfmotor wordt naar boven afgerond op de dichtstbijzijnde standaardwaarde.

Groepsbesturing van variabele elektrische blokaandrijvingen

Veel pompsets bestaan ​​uit meerdere blokken. In de regel zijn niet alle units uitgerust met een instelbare elektrische aandrijving. Van twee of drie geïnstalleerde units is het voldoende om er één uit te rusten met een regelbare elektrische aandrijving. Als een omvormer permanent is aangesloten op een van de units, is er een ongelijkmatig verbruik van hun motorbronnen, aangezien de unit die is uitgerust met een aandrijving met variabele snelheid veel langer wordt gebruikt.

Voor een gelijkmatige verdeling van de belasting over alle blokken die op het station zijn geïnstalleerd, zijn groepsbesturingsstations ontwikkeld, waarmee de blokken in serie kunnen worden geschakeld met de omvormer. Regelstations worden meestal vervaardigd voor laagspanningseenheden (380 V).

Gewoonlijk zijn laagspanningsregelstations ontworpen om twee of drie eenheden te besturen.Laagspanningsbesturingsstations omvatten stroomonderbrekers die bescherming bieden tegen fase-fase kortsluiting en aarding, thermische relais om apparaten te beschermen tegen overbelasting, evenals regelapparatuur (schakelaars, knop posten en anderen.).

Het schakelcircuit van het besturingsstation bevat de nodige vergrendelingen waarmee de frequentieomvormer op elk geselecteerd blok kan worden aangesloten en de werkblokken kan worden vervangen zonder de technologische werkingsmodus van de pomp- of blaaseenheid te verstoren.

Besturingsstations bevatten in de regel samen met vermogenselementen (automatische schakelaars, schakelaars, enz.) Besturings- en regelapparatuur (microprocessorcontrollers, enz.).

Op verzoek van de klant zijn de stations uitgerust met apparaten voor het automatisch inschakelen van back-upstroom (ATS), commerciële meting van verbruikte elektriciteit, controle van uitschakelapparatuur.

Indien nodig worden extra apparaten in het regelstation geïntroduceerd, die samen met de frequentieomvormer zorgen voor het gebruik van de softstarter van de units.

Geautomatiseerde controlestations bieden:

• behoud van de ingestelde waarde van de technologische parameter (druk, niveau, temperatuur, enz.);

• controle van de bedrijfsmodi van elektromotoren van gereguleerde en niet-gereguleerde eenheden (controle van verbruikte stroom, vermogen) en hun bescherming;

• automatische start van het back-upapparaat in geval van storing van het hoofdapparaat;

• schakelblokken direct naar het netwerk bij uitval van de frequentieomvormer;

• automatisch inschakelen van de back-up (ATS) elektrische ingang;

• automatische heraansluiting (AR) van het station na verlies en diepe spanningsdalingen in het voedingsnetwerk;

• automatische verandering van de bedrijfsmodus van het station met het stoppen en starten van de werkeenheden op een bepaald moment;

• automatische activering van een extra niet-gereguleerde unit als de gecontroleerde unit, die de nominale snelheid bereikt, niet de nodige watertoevoer leverde;

• automatische afwisseling van werkblokken met bepaalde tussenpozen om een ​​uniform verbruik van motorische hulpbronnen te garanderen;

• operationele bediening van de bedrijfsmodus van de pomp- (blaas)eenheid vanaf het bedieningspaneel of vanaf het bedieningspaneel.

Rijst. 4. Station voor groepsbesturing van elektrische aandrijvingen van pompen met variabele frequentie

De efficiëntie van het gebruik van variabele frequentie in pompunits

Door het gebruik van een aandrijving met variabele frequentie kunt u aanzienlijk energie besparen, omdat het mogelijk is om grote pompeenheden te gebruiken bij lage debieten. Hierdoor is het mogelijk om, door de eenheidscapaciteit van de eenheden te vergroten, hun totale aantal te verminderen en dienovereenkomstig de totale afmetingen van de gebouwen te verkleinen, het hydraulische schema van het station te vereenvoudigen en het aantal pijpleidingen te verminderen kleppen.

Zo maakt het gebruik van instelbare elektrische aandrijving in pompeenheden het mogelijk om, naast het besparen van elektriciteit en water, het aantal pompeenheden te verminderen, het hydraulische circuit van het station te vereenvoudigen en de bouwvolumes van het gebouw van het pompstation te verkleinen.In dit verband treden secundaire economische effecten op: de kosten voor verwarming, verlichting en reparatie van het gebouw worden verlaagd, de verlaagde kosten kunnen, afhankelijk van het doel van de stations en andere specifieke omstandigheden, met 20-50% worden verlaagd.

Technische documentatie voor frequentieomvormers laat zien dat u door het gebruik van een instelbare elektrische aandrijving in pompunits tot 50% kunt besparen op de energie die wordt besteed aan het verpompen van schoon- en afvalwater, en de terugverdientijd is van drie tot negen maanden.

Tegelijkertijd blijkt uit berekeningen en analyse van de effectiviteit van gecontroleerde elektrische aandrijving in werkende pompunits dat voor kleine pompunits met units met een vermogen tot 75 kW, vooral wanneer ze werken met een grote statische drukcomponent, blijkt niet geschikt om gecontroleerde elektrische aandrijvingen te gebruiken. In deze gevallen kunt u eenvoudigere besturingssystemen gebruiken door throttling te gebruiken, waarbij het aantal werkende pompeenheden wordt gewijzigd.

Het gebruik van variabele elektrische aandrijving in automatiseringssystemen van pompunits vermindert enerzijds het energieverbruik en vereist anderzijds extra kapitaalkosten. Daarom wordt de mogelijkheid van het gebruik van variabele elektrische aandrijving in pompunits bepaald door de lagere kosten te vergelijken uit twee opties: basis en nieuw. Een pompeenheid uitgerust met een instelbare elektrische aandrijving wordt als nieuwe optie genomen en een eenheid waarvan de eenheden met een constante snelheid werken, wordt als hoofdoptie genomen.