Truyền động điện của các tổ máy bơm có tần số

Các chế độ hoạt động của máy bơm ly tâm là tiết kiệm năng lượng nhất để điều chỉnh bằng cách thay đổi tốc độ quay của bánh xe. Tốc độ quay của các bánh xe có thể thay đổi nếu sử dụng một bộ truyền động điện có thể điều chỉnh làm động cơ truyền động.
Thiết kế và đặc điểm của tuabin khí và động cơ đốt trong sao cho chúng có thể tạo ra sự thay đổi tốc độ quay trong phạm vi yêu cầu.

Quá trình điều chỉnh tốc độ quay của từng cơ chế được phân tích thuận tiện bằng cách sử dụng các đặc tính cơ học của thiết bị.

Xem xét các đặc tính cơ học của bộ phận bơm bao gồm máy bơm và động cơ điện. Trong bộ lễ phục. Hình 1 trình bày các đặc tính cơ học của bơm ly tâm được trang bị van một chiều (đường cong 1) và động cơ điện có rôto lồng sóc (đường cong 2).

Cơm. 1. Đặc tính cơ học của bộ phận bơm

Sự khác biệt giữa các giá trị mô-men xoắn của động cơ điện và mô-men xoắn điện trở của máy bơm được gọi là mô-men xoắn động lực học.Nếu mômen quay của động cơ lớn hơn mômen cản của bơm thì mômen động được coi là dương, nếu nhỏ hơn thì coi là âm.

Dưới ảnh hưởng của mômen động dương, bộ phận bơm bắt đầu hoạt động với gia tốc, tức là. tăng tốc. Nếu mô-men xoắn động là âm, bộ phận bơm hoạt động với độ trễ, tức là chậm lại.

Khi những khoảnh khắc này bằng nhau, một chế độ hoạt động đứng yên sẽ diễn ra, tức là bộ phận bơm hoạt động ở tốc độ không đổi. Tốc độ này và mô-men xoắn tương ứng được xác định bởi giao điểm của các đặc tính cơ học của động cơ điện và máy bơm (điểm a trong Hình 1).

Nếu trong quá trình điều chỉnh theo cách này hay cách khác, đặc tính cơ học thay đổi, chẳng hạn như trở nên mềm hơn bằng cách đưa thêm một điện trở vào mạch rôto của động cơ điện (đường cong 3 trong Hình 1), mô-men xoắn của động cơ điện sẽ trở thành nhỏ bé của thời điểm kháng chiến.

Dưới ảnh hưởng của mô-men xoắn động tiêu cực, bộ phận bơm bắt đầu hoạt động với độ trễ, tức là. chậm lại cho đến khi mô men xoắn và mômen cản cân bằng trở lại (điểm b trong Hình 1). Điểm này tương ứng với giá trị riêng của tốc độ và mô-men xoắn.

Do đó, quá trình điều khiển tốc độ quay của bộ phận bơm liên tục đi kèm với sự thay đổi mô-men xoắn của động cơ điện và mô-men xoắn của lực cản của bơm.

Việc kiểm soát tốc độ bơm có thể được thực hiện bằng cách thay đổi tốc độ của động cơ điện được nối cứng với máy bơm hoặc bằng cách thay đổi tỷ số truyền của hộp số nối máy bơm với động cơ điện chạy ở tốc độ không đổi.

Quy định tốc độ quay của động cơ điện

Động cơ AC chủ yếu được sử dụng trong các đơn vị bơm. Tốc độ quay của động cơ điện xoay chiều phụ thuộc vào tần số của dòng điện cung cấp f, số cặp cực p và hệ số trượt s. Bằng cách thay đổi một hoặc nhiều tham số này, bạn có thể thay đổi tốc độ của động cơ điện và máy bơm được kết nối với nó.

Yếu tố chính của ổ điện tần số là biến tần… Biến tần có tần số lưới không đổi f1 được chuyển đổi thành biến tần e2. Tỷ lệ thuận với tần số e2 thay đổi tốc độ của động cơ điện được kết nối với đầu ra của bộ chuyển đổi.

Với bộ biến tần, điện áp nguồn U1 và tần số thực tế không thay đổi f1 được chuyển đổi thành các tham số biến đổi U2 và e2 cần thiết cho hệ thống điều khiển. Để đảm bảo động cơ điện hoạt động ổn định, hạn chế quá tải về dòng điện và từ thông, duy trì các chỉ số năng lượng cao trong bộ biến tần, phải duy trì một tỷ lệ nhất định giữa các thông số đầu vào và đầu ra của nó tùy thuộc vào loại động cơ. đặc tính của bơm cơ học. Các mối quan hệ này được suy ra từ phương trình định luật điều khiển tần số.

Đối với máy bơm, tỷ lệ phải được quan sát:

U1 / f1 = U2 / f2 = const

Trong bộ lễ phục. 2 cho thấy các đặc tính cơ học của động cơ cảm ứng có điều chỉnh tần số.Khi tần số f2 giảm, đặc tính cơ không chỉ thay đổi vị trí của nó trong tọa độ n — M mà còn thay đổi hình dạng ở một mức độ nào đó. Đặc biệt, mô-men xoắn cực đại của động cơ điện bị giảm. Điều này là do với tỷ lệ U1 / f1 = U2 / f2 = const và sự thay đổi tần số f1 không tính đến ảnh hưởng của điện trở hoạt động của stato đến độ lớn của mô-men xoắn của động cơ.

Cơm. 2. Đặc tính cơ của truyền động điện tần số ở tần số cực đại (1) và tần số giảm (2)

Khi điều chỉnh tần số, có tính đến ảnh hưởng này, mô-men xoắn cực đại không thay đổi, hình dạng của đặc tính cơ học được bảo toàn, chỉ có vị trí của nó thay đổi.

Bộ chuyển đổi tần số với điều chế độ rộng xung (PWM) có đặc tính năng lượng cao do hình dạng của các đường cong dòng điện và điện áp tiếp cận hình sin được cung cấp ở đầu ra của bộ chuyển đổi. Gần đây, các bộ biến tần dựa trên các mô-đun IGBT (bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện) là phổ biến nhất.

Mô-đun IGBT là một yếu tố quan trọng hiệu quả cao. Nó có tính năng giảm điện áp thấp, tốc độ cao và công suất chuyển mạch thấp. Bộ chuyển đổi tần số dựa trên các mô-đun IGBT với thuật toán PWM và vectơ để điều khiển động cơ không đồng bộ có lợi thế hơn các loại bộ chuyển đổi khác. Nó có hệ số công suất cao trên toàn bộ dải tần đầu ra.

Sơ đồ nguyên lý của bộ chuyển đổi được hiển thị trong hình. 3.

Cơm. 3.Sơ đồ bộ biến tần của các mô-đun IGBT: 1 — khối quạt; 2 — nguồn điện; 3 — bộ chỉnh lưu không điều khiển; 4 — bảng điều khiển; 5 — bảng điều khiển; 6 — PWM; 7 — bộ chuyển đổi điện áp; 8 — bảng điều khiển hệ thống; 9 — trình điều khiển; 10 — cầu chì cho bộ biến tần; 11 — cảm biến dòng điện; 12 — động cơ lồng sóc không đồng bộ; Q1, Q2, Q3 — công tắc cho mạch nguồn, mạch điều khiển và bộ phận quạt; K1, K2 — công tắc tơ để sạc tụ điện và mạch nguồn; C — dàn tụ điện; Rl, R2, R3 - điện trở để hạn chế dòng điện tích của tụ điện, phóng điện của tụ điện và khối xả; VT - Công tắc nguồn biến tần (Mô-đun IGBT)

Ở đầu ra của bộ biến tần, một đường cong điện áp (dòng điện) được hình thành, hơi khác so với hình sin, chứa các thành phần sóng hài cao hơn. Sự hiện diện của chúng dẫn đến sự gia tăng tổn thất trong động cơ điện. Vì lý do này, khi truyền động điện hoạt động ở tốc độ gần với tốc độ định mức, động cơ điện bị quá tải.

Khi vận hành ở tốc độ giảm, các điều kiện làm mát cho động cơ điện tự thông gió được sử dụng trong truyền động máy bơm sẽ kém đi. Trong phạm vi kiểm soát bình thường của các thiết bị bơm (1: 2 hoặc 1: 3), tình trạng suy giảm điều kiện thông gió này được bù đắp bằng việc giảm tải đáng kể do giảm tốc độ dòng chảy và cột áp của bơm.

Khi hoạt động ở tần số gần với giá trị danh định (50 Hz), sự suy giảm các điều kiện làm mát kết hợp với sự xuất hiện của các sóng hài bậc cao hơn đòi hỏi phải giảm 8-15% công suất cơ học cho phép.Do đó, mô-men xoắn cực đại của động cơ điện giảm 1 — 2%, hiệu suất của nó — 1 — 4%, cosφ — 5-7%.

Để tránh làm quá tải động cơ điện, cần phải giới hạn giá trị trên của tốc độ của nó hoặc trang bị cho ổ đĩa một động cơ điện mạnh hơn. Biện pháp cuối cùng là bắt buộc khi bộ phận bơm được thiết kế để hoạt động ở tần số e2> 50 Hz. Giới hạn giá trị trên của số vòng quay động cơ được thực hiện bằng cách giới hạn tần số e2 ở 48 Hz. Mức tăng công suất định mức của động cơ truyền động được làm tròn đến giá trị tiêu chuẩn gần nhất.

Điều khiển nhóm truyền động khối điện biến thiên

Nhiều bộ máy bơm bao gồm một số khối. Theo quy định, không phải tất cả các đơn vị đều được trang bị ổ điện có thể điều chỉnh. Từ hai hoặc ba thiết bị được lắp đặt, chỉ cần trang bị một thiết bị có ổ điện điều chỉnh là đủ. Nếu bộ chuyển đổi được kết nối vĩnh viễn với một trong các thiết bị, thì sẽ có mức tiêu thụ tài nguyên động cơ không đồng đều, do thiết bị được trang bị ổ đĩa tốc độ thay đổi được sử dụng trong thời gian dài hơn nhiều.

Để phân phối tải đồng đều giữa tất cả các khối được lắp đặt tại trạm, các trạm điều khiển nhóm đã được phát triển, với sự trợ giúp của các khối có thể được kết nối nối tiếp với bộ chuyển đổi. Trạm điều khiển thường được sản xuất cho các đơn vị điện áp thấp (380 V).

Thông thường, các trạm điều khiển điện áp thấp được thiết kế để điều khiển hai hoặc ba tổ máy.Các trạm điều khiển điện áp thấp bao gồm các bộ ngắt mạch cung cấp bảo vệ chống ngắn mạch pha và nối đất, rơle nhiệt để bảo vệ thiết bị khỏi quá tải, cũng như thiết bị điều khiển (công tắc, nút bài viết và những người khác.).

Mạch chuyển mạch của trạm điều khiển chứa các khóa liên động cần thiết cho phép kết nối bộ biến tần với bất kỳ khối đã chọn nào và thay thế các khối làm việc mà không làm ảnh hưởng đến chế độ hoạt động công nghệ của thiết bị bơm hoặc thổi.

Các trạm điều khiển, theo quy luật, cùng với các bộ phận nguồn (công tắc tự động, công tắc tơ, v.v.) chứa các thiết bị điều khiển và điều chỉnh (bộ vi xử lý, v.v.).

Theo yêu cầu của khách hàng, các trạm được trang bị các thiết bị tự động bật nguồn dự phòng (ATS), đo lường thương mại lượng điện năng tiêu thụ, điều khiển tắt thiết bị.

Nếu cần thiết, các thiết bị bổ sung được đưa vào trạm điều khiển đảm bảo việc sử dụng cùng với bộ biến tần của bộ khởi động mềm của các thiết bị.

Trạm điều khiển tự động cung cấp:

• duy trì giá trị cài đặt của tham số công nghệ (áp suất, mức, nhiệt độ, v.v.);

• kiểm soát các chế độ hoạt động của động cơ điện của các đơn vị được điều chỉnh và không được điều chỉnh (kiểm soát dòng điện tiêu thụ, công suất) và bảo vệ chúng;

• tự động khởi động thiết bị dự phòng trong trường hợp thiết bị chính bị lỗi;

• chuyển khối trực tiếp vào mạng trong trường hợp hỏng bộ biến tần;

• tự động bật đầu vào điện dự phòng (ATS);

• kết nối lại tự động (AR) của trạm sau khi mất và giảm điện áp sâu trong mạng cung cấp điện;

• tự động thay đổi chế độ vận hành của trạm với việc dừng, khởi động của các tổ máy công tác tại một thời điểm nhất định;

• tự động kích hoạt một thiết bị không được kiểm soát bổ sung nếu thiết bị được điều khiển, đạt đến tốc độ danh định, không cung cấp nguồn cấp nước cần thiết;

• tự động xen kẽ các khối công việc trong các khoảng thời gian nhất định để đảm bảo tiêu thụ tài nguyên động cơ đồng đều;

• điều khiển vận hành chế độ hoạt động của bộ phận bơm (thổi) từ bảng điều khiển hoặc từ bảng điều khiển.

Cơm. 4. Trạm điều khiển nhóm truyền động điện bơm biến tần

Hiệu quả sử dụng biến tần trong tổ máy bơm

Việc sử dụng ổ đĩa tần số thay đổi cho phép bạn tiết kiệm năng lượng đáng kể, vì nó có thể sử dụng các đơn vị bơm lớn ở tốc độ dòng chảy thấp. Nhờ đó, có thể bằng cách tăng công suất đơn vị của các tổ máy, giảm tổng số lượng của chúng và theo đó, giảm kích thước tổng thể của các tòa nhà, đơn giản hóa sơ đồ thủy lực của nhà ga và giảm số lượng đường ống. van.

Do đó, việc sử dụng truyền động điện có thể điều chỉnh trong các tổ máy bơm cho phép, cùng với việc tiết kiệm điện và nước, giảm số lượng tổ máy bơm, đơn giản hóa mạch thủy lực của trạm và giảm khối lượng xây dựng của tòa nhà trạm bơm.Trong mối liên hệ này, các hiệu ứng kinh tế thứ cấp phát sinh: chi phí sưởi ấm, chiếu sáng và sửa chữa tòa nhà giảm, chi phí giảm, tùy thuộc vào mục đích của nhà ga và các điều kiện cụ thể khác, có thể giảm 20-50%.

Tài liệu kỹ thuật về bộ biến tần cho thấy việc sử dụng ổ điện có thể điều chỉnh trong các thiết bị bơm cho phép bạn tiết kiệm tới 50% năng lượng tiêu tốn cho việc bơm nước sạch và nước thải, đồng thời thời gian hoàn vốn là từ ba đến chín tháng.

Đồng thời, các tính toán và phân tích hiệu quả của truyền động điện có điều khiển trong các tổ máy bơm đang vận hành cho thấy đối với các tổ máy bơm nhỏ với tổ máy có công suất lên tới 75 kW, đặc biệt khi chúng làm việc với thành phần áp suất tĩnh lớn. không thích hợp dùng truyền động điện có điều khiển. Trong những trường hợp này, bạn có thể sử dụng các hệ thống điều khiển đơn giản hơn bằng cách sử dụng điều tiết, thay đổi số lượng đơn vị bơm đang hoạt động.

Việc sử dụng truyền động điện biến đổi trong các hệ thống tự động hóa của tổ máy bơm, một mặt, giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng, mặt khác, đòi hỏi chi phí vốn bổ sung, do đó khả năng sử dụng truyền động điện biến đổi trong các tổ máy bơm được xác định bằng cách so sánh chi phí giảm trong hai tùy chọn: cơ bản và mới. Một bộ phận bơm được trang bị một ổ điện có thể điều chỉnh được coi là một tùy chọn mới và một bộ phận có các bộ phận hoạt động ở tốc độ không đổi được lấy làm bộ phận chính.