Azionamento elettrico di gruppi pompa con frequenza

Le modalità operative delle pompe centrifughe sono le più efficienti dal punto di vista energetico da regolare modificando la velocità di rotazione delle loro ruote. La velocità di rotazione delle ruote può essere modificata se si utilizza un azionamento elettrico regolabile come motore di azionamento.
Il design e le caratteristiche delle turbine a gas e dei motori a combustione interna sono tali da poter fornire una variazione della velocità di rotazione entro l'intervallo richiesto.

Il processo di regolazione della velocità di rotazione di ciascun meccanismo viene opportunamente analizzato utilizzando le caratteristiche meccaniche del dispositivo.

Si considerino le caratteristiche meccaniche di un gruppo di pompaggio costituito da una pompa e da un motore elettrico. Nella fig. 1 sono riportate le caratteristiche meccaniche di una pompa centrifuga dotata di valvola di ritegno (curva 1) e motore elettrico con rotore a gabbia di scoiattolo (curva 2).

Riso. 1. Caratteristiche meccaniche del gruppo pompante

La differenza tra i valori di coppia del motore elettrico e la coppia di resistenza della pompa è chiamata coppia dinamica.Se la coppia del motore è maggiore del momento resistente della pompa, la coppia dinamica è considerata positiva, se è inferiore è negativa.

Sotto l'influenza di un momento dinamico positivo, l'unità pompa inizia a funzionare con l'accelerazione, ad es. accelera. Se la coppia dinamica è negativa, il gruppo pompa funziona con un ritardo, vale a dire rallenta.

Quando questi momenti sono uguali, ha luogo una modalità di funzionamento stazionaria, cioè il gruppo pompa funziona a velocità costante. Tale velocità e la corrispondente coppia sono determinate dall'intersezione delle caratteristiche meccaniche del motore elettrico e della pompa (punto a di Fig. 1).

Se nel processo di regolazione in un modo o nell'altro la caratteristica meccanica cambia, ad esempio, per diventare più morbida introducendo un resistore aggiuntivo nel circuito del rotore del motore elettrico (curva 3 in Fig. 1), la coppia del motore elettrico diventerà piccolo del momento di resistenza.

Sotto l'influenza di una coppia dinamica negativa, l'unità pompa inizia a funzionare con un ritardo, ad es. rallenta fino a quando la coppia e il momento resistente si bilanciano nuovamente (punto b in Fig. 1). Questo punto corrisponde all'autovalore di velocità e coppia.

Pertanto, il processo di controllo della velocità di rotazione dell'unità di pompaggio è costantemente accompagnato da variazioni della coppia del motore elettrico e del momento di resistenza della pompa.

Il controllo della velocità della pompa può essere effettuato sia modificando la velocità del motore elettrico, che è rigidamente collegato alla pompa, sia modificando il rapporto di trasmissione della trasmissione che collega la pompa al motore elettrico, che funziona a velocità costante.

Regolazione della velocità di rotazione dei motori elettrici

I motori AC sono utilizzati principalmente nelle unità di pompaggio. La velocità di rotazione di un motore AC dipende dalla frequenza della corrente di alimentazione f, dal numero di coppie di poli p e dallo scorrimento s. Modificando uno o più di questi parametri è possibile variare la velocità del motore elettrico e della pompa ad esso collegata.

L'elemento principale dell'azionamento elettrico di frequenza è convertitore di frequenza… L'inverter ha una frequenza di rete costante f1 convertita nella variabile e2. Proporzionale alla frequenza e2 cambia la velocità del motore elettrico collegato all'uscita del convertitore.

Con un convertitore di frequenza, la tensione di rete U1 e la frequenza praticamente non cambiano f1 convertito in parametri variabili U2 ed e2 necessari per il sistema di controllo. Per garantire un funzionamento stabile del motore elettrico, per limitarne il sovraccarico in termini di corrente e flusso magnetico, per mantenere alti indicatori di energia nel convertitore di frequenza, è necessario mantenere un certo rapporto tra i suoi parametri di ingresso e di uscita a seconda del tipo di caratteristiche della pompa meccanica. Queste relazioni sono derivate dall'equazione della legge di controllo della frequenza.

Per le pompe, deve essere rispettato il rapporto:

U1 / f1 = U2 / f2 = cost

Nella fig. 2 mostra le caratteristiche meccaniche di un motore asincrono con regolazione di frequenza.Al diminuire della frequenza f2, la caratteristica meccanica non solo cambia la sua posizione nelle coordinate n — M, ma in una certa misura cambia anche la sua forma. In particolare, viene ridotta la coppia massima del motore elettrico. Ciò è dovuto al fatto che con un rapporto di U1 / f1 = U2 / f2 = const e la variazione di frequenza f1 non tiene conto dell'effetto della resistenza attiva dello statore sull'entità della coppia del motore.

Riso. 2. Caratteristiche meccaniche di un azionamento elettrico a frequenza massima (1) e ridotta (2).

Quando si regola la frequenza, tenendo conto di questa influenza, la coppia massima rimane invariata, la forma della caratteristica meccanica viene preservata, cambia solo la sua posizione.

Convertitori di frequenza con modulazione di larghezza di impulso (PWM) presentano elevate caratteristiche energetiche dovute al fatto che all'uscita del convertitore è prevista la forma delle curve di corrente e tensione tendenti alla sinusoidale. Recentemente, i convertitori di frequenza basati su moduli IGBT (transistor bipolari a gate isolato) sono i più diffusi.

Il modulo IGBT è un elemento chiave ad alta efficienza. È dotato di bassa caduta di tensione, alta velocità e bassa potenza di commutazione. Il convertitore di frequenza basato su moduli IGBT con PWM e algoritmo vettoriale per il controllo di un motore asincrono presenta vantaggi rispetto ad altri tipi di convertitori. Ha un elevato fattore di potenza su tutta la gamma di frequenze di uscita.

Il diagramma schematico del convertitore è mostrato in fig. 3.

Riso. 3.Schema di un convertitore di frequenza di moduli IGBT: 1 — blocco di ventilatori; 2 - alimentazione; 3 - raddrizzatore non controllato; 4 — pannello di controllo; 5 - scheda del pannello di controllo; 6 — PWM; 7 - unità di conversione della tensione; 8 — scheda di controllo del sistema; 9 — conducenti; 10 - fusibili per l'unità inverter; 11 — sensori di corrente; 12 - motore asincrono a gabbia di scoiattolo; Q1, Q2, Q3 — interruttori per circuito di alimentazione, circuito di controllo e unità ventilatore; K1, K2 — contattori per caricare condensatori e circuito di potenza; C - banco di condensatori; Rl, R2, R3 — resistori per limitare la corrente di carica del condensatore, la scarica dei condensatori e il blocco di drenaggio; VT - Interruttori di potenza inverter (moduli IGBT)

All'uscita del convertitore di frequenza si forma una curva di tensione (corrente), leggermente diversa da una sinusoide, contenente componenti armoniche superiori. La loro presenza porta ad un aumento delle perdite nel motore elettrico. Per questo motivo, quando l'azionamento elettrico funziona a una velocità prossima a quella nominale, il motore elettrico è sovraccaricato.

Durante il funzionamento a velocità ridotte, le condizioni di raffreddamento dei motori elettrici autoventilati utilizzati negli azionamenti delle pompe peggiorano. Nel normale campo di regolazione dei gruppi di pompaggio (1:2 o 1:3), tale peggioramento delle condizioni di ventilazione è compensato da una sensibile riduzione del carico dovuta alla riduzione della portata e della prevalenza della pompa.

Quando si opera a frequenze prossime al valore nominale (50 Hz), il deterioramento delle condizioni di raffreddamento in combinazione con la comparsa di armoniche di ordine superiore richiede una riduzione della potenza meccanica consentita dell'8-15%.A causa di ciò, la coppia massima del motore elettrico è ridotta dell'1 - 2%, la sua efficienza - dell'1 - 4%, cosφ - del 5-7%.

Per evitare di sovraccaricare il motore elettrico, è necessario limitare il valore superiore della sua velocità o dotare l'azionamento di un motore elettrico più potente. L'ultimo accorgimento è obbligatorio quando il gruppo di pompaggio è progettato per funzionare ad una frequenza e2> 50 Hz. La limitazione del valore superiore dei giri del motore viene effettuata limitando la frequenza e2 a 48 Hz. L'aumento della potenza nominale del motore di azionamento è arrotondato al valore standard più vicino.

Controllo di gruppo di azionamenti a blocchi elettrici variabili

Molti gruppi pompa sono costituiti da più blocchi. Di norma, non tutte le unità sono dotate di un azionamento elettrico regolabile. Da due o tre unità installate, è sufficiente dotarne una di un azionamento elettrico regolabile. Se un convertitore è collegato in modo permanente a una delle unità, si verifica un consumo irregolare della loro risorsa motore, poiché l'unità dotata di variatore di velocità viene utilizzata per un tempo molto più lungo.

Per una distribuzione uniforme del carico tra tutti i blocchi installati nella stazione, sono state sviluppate stazioni di controllo di gruppo, con l'ausilio delle quali i blocchi possono essere collegati in serie al convertitore. Le stazioni di controllo sono generalmente realizzate per unità a bassa tensione (380 V).

Tipicamente, le stazioni di controllo a bassa tensione sono progettate per controllare due o tre unità.Le stazioni di controllo a bassa tensione includono interruttori automatici che forniscono protezione da cortocircuito fase-fase e messa a terra, relè termici per proteggere i dispositivi da sovraccarico, nonché apparecchiature di controllo (interruttori, messaggi di pulsanti e altri.).

Il circuito di commutazione della stazione di controllo contiene gli interblocchi necessari che consentono di collegare il convertitore di frequenza a qualsiasi blocco selezionato e di sostituire i blocchi di lavoro senza disturbare la modalità tecnologica di funzionamento dell'unità di pompaggio o soffiaggio.

Le stazioni di controllo, di norma, insieme agli elementi di potenza (interruttori automatici, contattori, ecc.) contengono dispositivi di controllo e regolazione (controllori a microprocessore, ecc.).

Su richiesta del cliente, le stazioni sono dotate di dispositivi per l'accensione automatica dell'alimentazione di backup (ATS), la misurazione commerciale dell'elettricità consumata, il controllo delle apparecchiature di spegnimento.

Se necessario, nella stazione di controllo vengono introdotti dispositivi aggiuntivi che garantiscono l'utilizzo, insieme al convertitore di frequenza, del soft starter delle unità.

Le stazioni di controllo automatizzate forniscono:

• mantenimento del valore impostato del parametro tecnologico (pressione, livello, temperatura, ecc.);

• controllo delle modalità operative dei motori elettrici di unità regolate e non regolate (controllo della corrente consumata, potenza) e loro protezione;

• avvio automatico del dispositivo di backup in caso di guasto del dispositivo principale;

• blocchi di commutazione direttamente alla rete in caso di guasto del convertitore di frequenza;

• accensione automatica dell'ingresso elettrico di backup (ATS);

• riconnessione automatica (AR) della stazione dopo la perdita e forti cadute di tensione nella rete di alimentazione;

• cambio automatico della modalità di funzionamento della stazione con arresto e riavvio delle unità di lavoro in un determinato momento;

• attivazione automatica di un'ulteriore unità non regolata se l'unità controllata, raggiunta la velocità nominale, non ha fornito l'approvvigionamento idrico necessario;

• alternanza automatica di blocchi di lavoro a determinati intervalli per garantire un consumo uniforme delle risorse motorie;

• controllo operativo della modalità di funzionamento dell'unità di pompaggio (soffiaggio) dal pannello di controllo o dal pannello di controllo.

Riso. 4. Stazione per il controllo di gruppo degli azionamenti elettrici delle pompe a frequenza variabile

L'efficienza dell'utilizzo della frequenza variabile nelle unità di pompaggio

L'utilizzo di un variatore di frequenza consente di risparmiare notevolmente energia, in quanto consente di utilizzare grandi gruppi di pompaggio a basse portate. Grazie a ciò è possibile, aumentando la capacità unitaria delle unità, ridurne il numero totale e, di conseguenza, ridurre le dimensioni complessive degli edifici, semplificare lo schema idraulico della stazione e ridurre il numero di condotte valvole.

Pertanto, l'utilizzo dell'azionamento elettrico regolabile nelle unità di pompaggio consente, oltre al risparmio di elettricità e acqua, di ridurre il numero di unità di pompaggio, semplificare il circuito idraulico della stazione e ridurre i volumi di costruzione dell'edificio della stazione di pompaggio.A questo proposito sorgono effetti economici secondari: i costi di riscaldamento, illuminazione e riparazione dell'edificio sono ridotti, i costi ridotti, a seconda dello scopo delle stazioni e di altre condizioni specifiche, possono essere ridotti del 20-50%.

La documentazione tecnica per i convertitori di frequenza mostra che l'uso di un azionamento elettrico regolabile nelle unità di pompaggio consente di risparmiare fino al 50% dell'energia spesa per il pompaggio di acque pulite e reflue e il periodo di recupero dell'investimento va da tre a nove mesi.

Allo stesso tempo, i calcoli e l'analisi dell'efficacia dell'azionamento elettrico controllato nelle unità di pompaggio in funzione mostrano che per le piccole unità di pompaggio con unità con una potenza fino a 75 kW, specialmente quando lavorano con una grande componente di pressione statica, risulta non adatto per l'utilizzo di azionamenti elettrici controllati. In questi casi, è possibile utilizzare sistemi di controllo più semplici utilizzando la strozzatura, modificando il numero di gruppi pompa funzionanti.

L'uso dell'azionamento elettrico variabile nei sistemi di automazione delle unità di pompaggio, da un lato, riduce il consumo di energia e, dall'altro, richiede costi di capitale aggiuntivi, pertanto la possibilità di utilizzare l'azionamento elettrico variabile nelle unità di pompaggio è determinata confrontando i costi ridotti di due opzioni: base e nuova. Come nuova opzione viene presa un'unità di pompaggio dotata di un azionamento elettrico regolabile e come principale viene presa un'unità le cui unità funzionano a velocità costante.