Použití pohonu s proměnnou frekvencí ve vodní čerpací stanici | Publikace.

Jednou z oblastí práce společnosti „RusAvtomatizatsiya“ je dodávka a zprovoznění frekvenčních měničů, jakož i vývoj a výroba na nich založených ovládacích skříní.

Snad nejčastějším požadavkem v této oblasti je implementace automatizovaného pohonu s proměnnou frekvencí pro VNS (vodní čerpací stanice). Dnes si o něm povíme.

Některé teorie

Provozní režim systému zásobování pitnou vodou je dán rytmem života obyvatel. Obrázek ukazuje přibližný denní harmonogram spotřeby vody pro malou osadu.

Jak je patrné z grafu, spotřeba vody se během dne zvyšuje, proto je nutné udržovat tlak vody v systému vyšší než v noci.

Záměrná změna průtoku a tlaku čerpadel v souladu s měnícími se provozními podmínkami systému se nazývá regulace. Způsob regulace otevřením uzávěru je považován za neekonomický, protože je nutná neustálá kontrola člověka a také značný energetický výdej na překonání dodatečného hydraulického odporu ve ventilu.

Ekonomičtější a spolehlivější způsob regulace je změna frekvence otáčení čerpadel pomocí frekvenčních měničů. Při změně frekvence otáčení čerpadla se plynule mění tlak vody v systému, což má pozitivní vliv na chod celého systému. A kontrola provozního režimu systému je sledována pomocí automatických měřicích zařízení.

Nyní o praxi

Specialisté společnosti minulý měsíc implementovali systém řízení frekvence pro čerpací jednotku přečerpávací stanice zákazníka.

Hlavním cílem odběratele bylo udržet stanovený tlak ve vodovodním řádu a zároveň zabránit jeho překročení.

K vyřešení tohoto problému byl vybrán frekvenční měnič pro spolupráci s čerpadly INNOVERT PUMP (IHD164P43B). Byl instalován do stávajícího rozvaděče. Jako zpětnovazební snímač byl instalován tlakový snímač DMP 331 pod omítku.

Pro automatické nastavení požadované hodnoty tlaku v závislosti na dni v týdnu a denní době byl použit programovatelný regulátor OMC8000 s hodinami reálného času. Do budoucna se navíc počítá s připojením signálů z monitorovacího systému vibrací, kterým je čerpací jednotka aktuálně vybavena, do regulátoru.

Udržování tlaku vody v systému zajišťuje vestavěný PID regulátor frekvenčního měniče. Jak používat a konfigurovat PID regulátor ve frekvenčním měniči jsme si ukázali na videu.

Výhody použití PC

Použití frekvenčního měniče (FC) s čerpacími jednotkami dává zákazníkovi možnost:

• snížit spotřebu energie elektromotoru;
• automatizovat proces řízení;
• odstranit netěsnosti stabilizací tlaku v systému;
• eliminovat vodní rázy v systému, ke kterým dochází při spouštění elektromotorů čerpadel přímo ze sítě;
• snížit opotřebení čerpací jednotky, pohonů uzavíracích a řídicích zařízení a inženýrského systému jako celku;
• zvýšit životnost motoru;
• snížit opotřebení spínacího zařízení;
• Snižte kapacitu napájecího zdroje a průřez napájecího kabelu.

Použití frekvenčního měniče zvyšuje účinnost systému, jeho hospodárnost a spolehlivost.

👉 Přihlaste se k odběru Elec.ru. Jsme v Telegramu, VKontakte a Odnoklassniki

Provozní režimy odstředivých čerpadel jsou energeticky nejúčinněji regulovány změnou rychlosti otáčení jejich oběžných kol. Rychlost otáčení oběžných kol lze měnit, pokud je jako hnací motor použit nastavitelný elektrický pohon.
Konstrukce a charakteristiky plynových turbín a spalovacích motorů jsou takové, že mohou zajistit změnu rychlosti otáčení v požadovaném rozsahu.

Je vhodné analyzovat proces regulace rychlosti otáčení jakéhokoli mechanismu pomocí mechanických charakteristik jednotky.

Uvažujme mechanické vlastnosti čerpací jednotky sestávající z čerpadla a elektromotoru. Na Obr. Obrázek 1 ukazuje mechanické charakteristiky odstředivého čerpadla vybaveného zpětným ventilem (křivka 1) a elektromotorem s rotorem nakrátko (křivka 2).

Rýže. 1. Mechanické vlastnosti čerpací jednotky

Rozdíl mezi momentem elektromotoru a odporovým momentem čerpadla se nazývá dynamický moment. Pokud je moment motoru větší než odporový moment čerpadla, dynamický moment se považuje za kladný, pokud je menší, považuje se za záporný.

Čerpací agregát pod vlivem kladného dynamického momentu začne pracovat se zrychlením, tzn. zrychluje. Při záporném dynamickém momentu pracuje čerpací agregát se zpomalením, tzn. zpomaluje.

Když jsou tyto momenty stejné, nastává ustálený provozní stav, tzn. čerpadlová jednotka pracuje při konstantní rychlosti. Tato rychlost otáčení a odpovídající kroutící moment jsou určeny průsečíkem mechanických charakteristik elektromotoru a čerpadla (bod a na obr. 1).

Pokud se během procesu regulace tak či onak změní mechanická charakteristika, například aby byla měkčí zavedením přídavného odporu do obvodu rotoru elektromotoru (křivka 3 na obr. 1), rotační moment elektromotoru bude menší než odporový moment.

Pod vlivem negativního dynamického momentu začne čerpací agregát pracovat pomaleji, tzn. zpomaluje, dokud se moment a moment odporu opět nevyrovnají (bod b na obr. 1). Tento bod odpovídá jeho vlastní frekvenci otáčení a vlastní hodnotě točivého momentu.

Proces regulace rychlosti otáčení čerpací jednotky je tedy plynule doprovázen změnami točivého momentu elektromotoru a momentu odporu čerpadla.

Rychlost otáčení čerpadla lze řídit buď změnou rychlosti otáčení elektromotoru pevně spojeného s čerpadlem, nebo změnou převodového poměru spojujícího čerpadlo s elektromotorem, který pracuje s konstantními otáčkami.

Regulace otáček elektromotorů

Čerpací jednotky používají převážně střídavé motory. Rychlost otáčení střídavého motoru závisí na frekvenci napájecího proudu f, počtu pólových párů p a skluzu s. Změnou jednoho nebo více těchto parametrů můžete změnit rychlost otáčení elektromotoru a s ním spojeného čerpadla.

Hlavním prvkem frekvenčního elektrického pohonu je frekvenční měnič. V měniči je konstantní kmitočet napájecí sítě f1 převáděn na proměnný kmitočet f 2. Úměrně kmitočtu f 2 se mění otáčky elektromotoru připojeného na výstup měniče.

Prakticky nezměněné síťové parametry napětí U1 a frekvence f1 jsou pomocí frekvenčního měniče převedeny na proměnné parametry U2 a f 2 potřebné pro řídicí systém. Pro zajištění stabilního chodu elektromotoru, omezení jeho přetížení proudovým a magnetickým tokem a udržení vysokého energetického výkonu je nutné ve frekvenčním měniči dodržet určitý poměr mezi jeho vstupními a výstupními parametry v závislosti na typu mechanických vlastností elektromotoru. čerpadlo. Tyto poměry jsou získány z rovnice zákona o regulaci frekvence.

U čerpadel je třeba dodržet následující poměr:

U1/f1 = U2/f2 = konst

Na Obr. Obrázek 2 ukazuje mechanické charakteristiky asynchronního elektromotoru s regulací frekvence. S klesající frekvencí f2 mění mechanická charakteristika nejen svou polohu v souřadnicích n – M, ale také mírně mění svůj tvar. Zejména se snižuje maximální točivý moment elektromotoru. Je to dáno tím, že při dodržení vztahu U1/f1 = U2/f2 = konst a změně frekvence f1 se nebere v úvahu vliv aktivního odporu statoru na velikost momentu motoru.

Rýže. 2. Mechanické charakteristiky frekvenčního měniče při maximální (1) a nízké (2) frekvenci

Při zohlednění tohoto vlivu při frekvenční regulaci zůstává maximální točivý moment nezměněn, tvar mechanické charakteristiky je zachován, mění se pouze její poloha.

Frekvenční měniče s pulzně šířkovou modulací (PWM) mají vysoké energetické charakteristiky díky tomu, že výstup měniče poskytuje tvar proudových a napěťových křivek, který se blíží sinusovému tvaru. V poslední době se nejvíce rozšířily frekvenční měniče na bázi IGBT modulů (izolované hradlové bipolární tranzistory).

Modul IGBT je vysoce účinným klíčovým prvkem. Má nízký úbytek napětí, vysokou rychlost a nízký spínací výkon. Frekvenční měnič na bázi IGBT modulů s PWM a vektorovým algoritmem pro řízení asynchronního elektromotoru má výhody oproti jiným typům měničů. Vyznačuje se vysokým účiníkem v celém rozsahu výstupní frekvence.

Schematické schéma převodníku je na Obr. 3.

Rýže. 3. Schéma frekvenčního měniče na IGBT modulech: 1 – ventilátorová jednotka; 2 – napájení; 3 — neřízený usměrňovač; 4 — ovládací panel; 5 — deska ovládacího panelu; 6 – PWM; 7 – blok převodu napětí; 8 — deska řídicího systému; 9 — řidiči; 10 – pojistky invertorové jednotky; 11 – proudové snímače; 12 – asynchronní motor s kotvou nakrátko; Q1, Q2, Q3 – spínače silového obvodu, řídicího obvodu a ventilátorové jednotky; K1, K2 – stykače pro nabíjení kondenzátorů a silového obvodu; C – blok kondenzátorů; Rl, R2, R3 – odpory pro omezení proudu nabíjení kondenzátoru, vybíjení a vypouštění kondenzátoru; VT – invertorové výkonové spínače (IGBT moduly)

Na výstupu frekvenčního měniče se vytvoří křivka napětí (proudu), mírně odlišná od sinusoidy, obsahující vyšší harmonické složky. Jejich přítomnost s sebou nese zvýšení ztrát v elektromotoru. Z tohoto důvodu, když elektrický pohon pracuje s otáčkami blízkými jmenovitým otáčkám, je elektromotor přetížen.

Při provozu při nižších otáčkách se zhoršují podmínky chlazení u elektromotorů s vlastním odvětráváním používaných k pohonu čerpadel. V normálním regulačním rozsahu čerpacích jednotek (1:2 nebo 1:3) je toto zhoršení ventilačních podmínek kompenzováno výrazným snížením zátěže v důsledku poklesu průtoku a tlaku čerpadla.

Při provozu na frekvencích blízkých jmenovité hodnotě (50 Hz) vyžaduje zhoršení podmínek chlazení v kombinaci s výskytem vyšších harmonických složek snížení přípustného mechanického výkonu o 8 – 15 %. Z tohoto důvodu je maximální točivý moment elektromotoru snížen o 1 – 2%, jeho účinnost – o 1 – 4%, cos φ – o 5 – 7%.

Aby nedocházelo k přetěžování elektromotoru, je nutné buď omezit horní hodnotu jeho otáček, nebo vybavit pohon výkonnějším elektromotorem. Poslední opatření je povinné, když má čerpací jednotka pracovat s frekvencí f 2 > 50 Hz. Horní hodnota otáček motoru je omezena omezením frekvence f 2 až 48 Hz. Zvýšení jmenovitého výkonu hnacího motoru se provádí zaokrouhlením na nejbližší standardní hodnotu.

Skupinové ovládání stavitelných elektrických pohonů jednotek

Mnoho čerpacích zařízení se skládá z několika jednotek. Ne všechny jednotky jsou zpravidla vybaveny nastavitelným elektrickým pohonem. Ze dvou nebo tří instalovaných jednotek stačí jednu vybavit nastavitelným elektropohonem. Pokud je k jedné z jednotek trvale připojen jeden měnič, dochází k nerovnoměrnému odběru jejich motorového zdroje, protože jednotka vybavená nastavitelným pohonem je používána mnohem delší dobu.

Pro rovnoměrné rozložení zátěže mezi všechny jednotky instalované na stanici byly vyvinuty skupinové řídicí stanice, pomocí kterých lze jednotky střídavě připojovat k převodníku. Řídicí stanice jsou obvykle vyráběny pro nízkonapěťové (380 V) jednotky.

Nízkonapěťové řídicí stanice jsou obvykle navrženy pro řízení dvou nebo tří jednotek. Nízkonapěťové řídicí stanice zahrnují automatické spínače, které zajišťují ochranu proti mezifázovým zkratům a zemním poruchám, tepelná relé pro ochranu jednotek před přetížením a také ovládací zařízení (klíče, tlačítkové stanice atd.).

Spínací obvod řídicí stanice obsahuje potřebná blokování, která umožňují připojení frekvenčního měniče k libovolné zvolené jednotce a výměnu provozních jednotek bez narušení technologického režimu provozu čerpací nebo foukací jednotky.

Řídicí stanice zpravidla spolu s výkonovými prvky (jističe, stykače atd.) obsahují řídicí a regulační zařízení (mikroprocesorové ovladače atd.).

Na přání zákazníka jsou stanice vybaveny zařízeními pro automatické zapínání záložního napájení (ABP), obchodní měření spotřebované elektřiny a ovládání vypínacích zařízení.

V případě potřeby jsou do řídicí stanice zavedena další zařízení, která zajišťují použití zařízení pro měkký start pro jednotky spolu s frekvenčním měničem.

Automatizované řídicí stanice poskytují:

• udržování dané hodnoty procesního parametru (tlak, hladina, teplota atd.);
• řízení provozních režimů elektromotorů regulovaných a neregulovaných jednotek (řízení odběru proudu, výkonu) a jejich ochrany;
• automatická aktivace záložní jednotky v případě poruchy hlavní;
• přepínání jednotek přímo do sítě při poruše frekvenčního měniče;
• automatické zapnutí záložního (AVR) elektrického vstupu;
• automatický restart (AR) stanice po ztrátě a hlubokých poklesech napětí v napájecí elektrické síti;
• automatická změna provozního režimu stanice se zastavením a spuštěním jednotek v daný čas;
• automatická aktivace další neregulované jednotky, pokud regulovaná jednotka po dosažení jmenovité rychlosti nezajistila požadovaný přívod vody;
• automatické střídání provozních jednotek ve stanovených intervalech pro zajištění rovnoměrné spotřeby zdrojů motoru;
• provozní ovládání režimu provozu čerpací (foukací) jednotky z ovládacího panelu nebo z dispečerské konzole.

Rýže. 4. Skupinová řídicí stanice pro frekvenční elektrické pohony čerpadel

Efektivita použití frekvenčních elektrických pohonů v čerpacích agregátech

Použití pohonu s proměnnou frekvencí umožňuje výrazně šetřit energii, protože umožňuje použití velkých čerpacích jednotek v režimu nízkého průtoku. Díky tomu je možné zvýšením blokového výkonu bloků snížit jejich celkový počet a tím i zmenšit celkové rozměry budov, zjednodušit hydraulický okruh stanice a snížit počet potrubí. kování.

Použití řízeného elektrického pohonu v čerpacích agregátech tak umožňuje spolu s úsporou elektrické energie a vody snížit počet čerpacích agregátů, zjednodušit hydraulický okruh stanice a snížit stavební objem budovy čerpací stanice. V tomto ohledu vznikají sekundární ekonomické efekty: snižují se náklady na vytápění, osvětlení a opravy budovy, dané náklady lze v závislosti na účelu stanic a dalších specifických podmínkách snížit o 20 – 50 %.

Z technické dokumentace frekvenčních měničů vyplývá, že použití nastavitelného elektrického pohonu v čerpacích jednotkách umožňuje ušetřit až 50 % energie vynaložené na čerpání čisté a odpadní vody a doba návratnosti je tři až devět měsíců.

Výpočty a rozbory účinnosti regulovatelného elektropohonu ve stávajících čerpacích agregátech přitom ukazují, že u malých čerpacích agregátů s výkonem do 75 kW, zejména když pracují s velkou statickou složkou tlaku, použití nastavitelných elektrických pohonů se ukazuje jako nevhodné. V těchto případech lze použít jednodušší řídicí systémy pomocí škrcení a změny počtu provozních čerpacích jednotek.

Použití nastavitelného elektrického pohonu v automatizačních systémech pro čerpací jednotky na jedné straně snižuje spotřebu energie, na druhé straně vyžaduje dodatečné kapitálové náklady, proto je proveditelnost použití nastavitelného elektrického pohonu v čerpacích jednotkách určena porovnáním dané náklady na dvě možnosti: základní a novou. Novou variantou je čerpací jednotka vybavená nastavitelným elektrickým pohonem a základní variantou je jednotka, jejíž jednotky pracují s konstantními otáčkami.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře