Accionamiento eléctrico de unidades de bomba con frecuencia.

Los modos de funcionamiento de las bombas centrífugas son los más eficientes energéticamente para ajustarse cambiando la velocidad de rotación de sus ruedas. La velocidad de rotación de las ruedas se puede cambiar si se utiliza un accionamiento eléctrico ajustable como motor de accionamiento.
El diseño y las características de las turbinas de gas y los motores de combustión interna son tales que pueden proporcionar un cambio en la velocidad de rotación dentro del rango requerido.

El proceso de ajuste de la velocidad de rotación de cada mecanismo se analiza convenientemente utilizando las características mecánicas del dispositivo.

Considere las características mecánicas de una unidad de bombeo que consta de una bomba y un motor eléctrico. En la Fig. 1 muestra las características mecánicas de una bomba centrífuga equipada con una válvula de retención (curva 1) y un motor eléctrico con rotor en jaula de ardilla (curva 2).

Arroz. 1. Características mecánicas del grupo de bombeo

La diferencia entre los valores de par del motor eléctrico y el par de resistencia de la bomba se denomina par dinámico.Si el par del motor es mayor que el momento de resistencia de la bomba, el par dinámico se considera positivo, si es menor, es negativo.

Bajo la influencia de un momento dinámico positivo, la unidad de bomba comienza a funcionar con aceleración, es decir, acelera Si el par dinámico es negativo, la unidad de bomba funciona con un retraso, es decir, ralentiza.

Cuando estos momentos son iguales, se produce un modo de funcionamiento estacionario, es decir la unidad de bomba funciona a una velocidad constante. Esta velocidad y el correspondiente par están determinados por la intersección de las características mecánicas del motor eléctrico y la bomba (punto a en la Fig. 1).

Si en el proceso de ajuste de una forma u otra la característica mecánica cambia, por ejemplo, para volverse más suave al introducir una resistencia adicional en el circuito del rotor del motor eléctrico (curva 3 en la Fig. 1), el par del motor eléctrico se hará pequeño del momento de la resistencia.

Bajo la influencia de un par dinámico negativo, la unidad de bomba comienza a funcionar con un retraso, es decir, desacelera hasta que el par y el momento de resistencia vuelven a equilibrarse (punto b en la Fig. 1). Este punto corresponde al valor propio de la velocidad y el par.

Por lo tanto, el proceso de control de la velocidad de rotación de la unidad de bombeo se acompaña constantemente de cambios en el par del motor eléctrico y el momento de resistencia de la bomba.

El control de la velocidad de la bomba se puede realizar cambiando la velocidad del motor eléctrico, que está rígidamente conectado a la bomba, o cambiando la relación de transmisión de la transmisión que conecta la bomba al motor eléctrico, que funciona a una velocidad constante.

Regulación de la velocidad de rotación de motores eléctricos

Los motores de CA se utilizan principalmente en unidades de bombeo. La velocidad de rotación de un motor de CA depende de la frecuencia de la corriente de alimentación f, el número de pares de polos p y el deslizamiento s. Al cambiar uno o más de estos parámetros, puede cambiar la velocidad del motor eléctrico y la bomba conectada a él.

El elemento principal del accionamiento eléctrico de frecuencia es convertidor de frecuencia… El inversor tiene una frecuencia de red constante f1 convertida en variable e2. Proporcionalmente a la frecuencia e2 cambia la velocidad del motor eléctrico conectado a la salida del convertidor.

Con un convertidor de frecuencia, la tensión de red U1 y la frecuencia prácticamente no cambian f1 convertidos en parámetros variables U2 y e2 necesarios para el sistema de control. Para garantizar un funcionamiento estable del motor eléctrico, limitar su sobrecarga en términos de corriente y flujo magnético, mantener altos indicadores de energía en el convertidor de frecuencia, se debe mantener una cierta relación entre sus parámetros de entrada y salida según el tipo de Características de la bomba mecánica. Estas relaciones se derivan de la ecuación de la ley de control de frecuencia.

Para las bombas, se debe observar la relación:

U1 / f1 = U2 / f2 = constante

En la Fig. 2 muestra las características mecánicas de un motor de inducción con regulación de frecuencia.A medida que disminuye la frecuencia f2, la característica mecánica no sólo cambia su posición en las coordenadas n — M, sino que hasta cierto punto cambia su forma. En particular, se reduce el par máximo del motor eléctrico. Esto se debe a que con una relación U1/f1 = U2/f2 = constante y el cambio de frecuencia f1 no tiene en cuenta el efecto de la resistencia activa del estator sobre la magnitud del par motor.

Arroz. 2. Características mecánicas de un variador de frecuencia eléctrico a frecuencias máximas (1) y reducidas (2)

Al ajustar la frecuencia, teniendo en cuenta esta influencia, el par máximo permanece sin cambios, la forma de la característica mecánica se conserva, solo cambia su posición.

Convertidores de frecuencia con modulación de ancho de pulso (PWM) tienen características de alta energía debido al hecho de que la forma de las curvas de corriente y voltaje que se aproximan a la sinusoidal se proporciona en la salida del convertidor. Recientemente, los convertidores de frecuencia basados ​​en módulos IGBT (transistores bipolares de puerta aislada) son los más extendidos.

El módulo IGBT es un elemento clave de alta eficiencia. Cuenta con baja caída de voltaje, alta velocidad y baja potencia de conmutación. El convertidor de frecuencia basado en módulos IGBT con PWM y algoritmo vectorial para controlar un motor asíncrono tiene ventajas sobre otros tipos de convertidores. Tiene un alto factor de potencia en todo el rango de frecuencia de salida.

El diagrama esquemático del convertidor se muestra en la fig. 3.

Arroz. 3.El esquema del convertidor de frecuencia de los módulos IGBT: 1 — el bloque de los ventiladores; 2 — fuente de alimentación; 3 — rectificador no controlado; 4 — panel de control; 5 — tablero del panel de control; 6 — PWM; 7 — unidad de conversión de voltaje; 8 — placa de control del sistema; 9 — conductores; 10 — fusibles para la unidad inversora; 11 — sensores de corriente; 12 — motor asíncrono de jaula de ardilla; Q1, Q2, Q3: interruptores para el circuito de alimentación, el circuito de control y la unidad de ventilación; K1, K2 — contactores para cargar condensadores y circuito de potencia; C — banco de condensadores; Rl, R2, R3: resistencias para limitar la corriente de carga del capacitor, la descarga de los capacitores y el bloque de drenaje; VT - Interruptores de potencia del inversor (módulos IGBT)

A la salida del convertidor de frecuencia, se forma una curva de voltaje (corriente), ligeramente diferente de una sinusoide, que contiene componentes armónicos más altos. Su presencia conduce a un aumento de las pérdidas en el motor eléctrico. Por este motivo, cuando el accionamiento eléctrico funciona a una velocidad cercana a la nominal, el motor eléctrico se sobrecarga.

Cuando se opera a velocidades reducidas, las condiciones de enfriamiento de los motores eléctricos autoventilados utilizados en los accionamientos de bombas se deterioran. En el rango de control normal de las unidades de bombeo (1:2 o 1:3), este deterioro de las condiciones de ventilación se compensa con una reducción significativa de la carga debido a una reducción del caudal y la altura de la bomba.

Cuando se opera a frecuencias cercanas al valor nominal (50 Hz), el deterioro de las condiciones de refrigeración en combinación con la aparición de armónicos de orden superior requiere una reducción de la potencia mecánica admisible en un 8-15%.Debido a esto, el par máximo del motor eléctrico se reduce en 1 — 2%, su eficiencia — en 1 — 4%, cosφ — en 5-7%.

Para evitar sobrecargar el motor eléctrico, es necesario limitar el valor superior de su velocidad o equipar el variador con un motor eléctrico más potente. La última medida es obligatoria cuando la unidad de bombeo está diseñada para operar a una frecuencia e2 > 50 Hz. La limitación del valor superior de las revoluciones del motor se realiza limitando la frecuencia e2 a 48 Hz. El aumento de la potencia nominal del motor de accionamiento se redondea al valor estándar más próximo.

Control de grupo de accionamientos de bloques eléctricos variables

Muchos juegos de bombas constan de varios bloques. Como regla general, no todas las unidades están equipadas con un accionamiento eléctrico ajustable. A partir de dos o tres unidades instaladas, basta con equipar una con accionamiento eléctrico regulable. Si un convertidor está conectado permanentemente a una de las unidades, hay un consumo desigual de su recurso motor, ya que la unidad equipada con un variador de velocidad se usa durante mucho más tiempo.

Para la distribución uniforme de la carga entre todos los bloques instalados en la estación, se han desarrollado estaciones de control de grupo, con la ayuda de las cuales los bloques pueden conectarse en serie al convertidor. Las estaciones de control generalmente se fabrican para unidades de bajo voltaje (380 V).

Por lo general, las estaciones de control de bajo voltaje están diseñadas para controlar dos o tres unidades.Las estaciones de control de baja tensión incluyen interruptores automáticos que brindan protección contra cortocircuito fase a fase y puesta a tierra, relés térmicos para proteger los dispositivos contra sobrecarga, así como equipos de control (interruptores, publicaciones de botones y otros.).

El circuito de conmutación de la estación de control contiene los enclavamientos necesarios que permiten conectar el convertidor de frecuencia a cualquier bloque seleccionado y reemplazar los bloques de trabajo sin alterar el modo tecnológico de operación de la unidad de bombeo o soplado.

Las estaciones de control, por regla general, junto con los elementos de potencia (interruptores automáticos, contactores, etc.) contienen dispositivos de control y regulación (controladores de microprocesador, etc.).

A pedido del cliente, las estaciones están equipadas con dispositivos de encendido automático de energía de respaldo (ATS), medición comercial de energía eléctrica consumida, control de apagado de equipos.

Si es necesario, se introducen dispositivos adicionales en la estación de control, que aseguran el uso, junto con el convertidor de frecuencia, del arrancador suave de los bloques.

Las estaciones de control automatizadas proporcionan:

• manteniendo el valor establecido del parámetro tecnológico (presión, nivel, temperatura, etc.);

• control de los modos de funcionamiento de los motores eléctricos de unidades reguladas y no reguladas (control de corriente consumida, potencia) y su protección;

• inicio automático del dispositivo de respaldo en caso de falla del dispositivo principal;

• conmutación de bloques directamente a la red en caso de fallo del convertidor de frecuencia;

• encendido automático de la entrada eléctrica de respaldo (ATS);

• reconexión automática (AR) de la estación después de pérdidas y caídas profundas de voltaje en la red de suministro de energía;

• cambio automático del modo de funcionamiento de la estación con parada y arranque de las unidades de trabajo en un momento dado;

• activación automática de una unidad adicional no regulada si la unidad controlada, al alcanzar la velocidad nominal, no proporcionó el suministro de agua necesario;

• alternancia automática de bloques de trabajo a ciertos intervalos para garantizar un consumo uniforme de los recursos motores;

• control operativo del modo de operación de la unidad de bombeo (soplado) desde el panel de control o desde el panel de control.

Arroz. 4. Estación para control de grupo de accionamientos eléctricos de bombas de frecuencia variable

La eficiencia del uso de frecuencia variable en las unidades de bombeo

El uso de un variador de frecuencia le permite ahorrar significativamente energía, ya que permite utilizar grandes unidades de bombeo a caudales bajos. Gracias a esto, al aumentar la capacidad unitaria de las unidades, es posible reducir su número total y, en consecuencia, reducir las dimensiones generales de los edificios, simplificar el esquema hidráulico de la estación y reducir el número de tuberías. válvulas

Así, el uso de accionamiento eléctrico regulable en los grupos de bombeo permite, además de ahorrar energía eléctrica y agua, reducir el número de grupos de bombeo, simplificar el circuito hidráulico de la estación y reducir los volúmenes de construcción del edificio de la estación de bombeo.A este respecto, surgen efectos económicos secundarios: se reducen los costos de calefacción, iluminación y reparación del edificio, los costos reducidos, según el propósito de las estaciones y otras condiciones específicas, pueden reducirse en un 20-50%.

La documentación técnica para convertidores de frecuencia muestra que el uso de un accionamiento eléctrico ajustable en unidades de bombeo le permite ahorrar hasta un 50 % de la energía gastada en el bombeo de agua limpia y residual, y el período de amortización es de tres a nueve meses.

Al mismo tiempo, los cálculos y análisis de la eficacia del accionamiento eléctrico controlado en unidades de bombeo en funcionamiento muestran que para unidades de bombeo pequeñas con unidades con una potencia de hasta 75 kW, especialmente cuando funcionan con un gran componente de presión estática, resulta no apto para utilizar accionamientos eléctricos controlados. En estos casos, puede usar sistemas de control más simples mediante el uso de estrangulamiento, cambiando la cantidad de unidades de bomba en funcionamiento.

El uso de accionamiento eléctrico variable en sistemas de automatización de unidades de bombeo, por un lado, reduce el consumo de energía y, por otro lado, requiere costos de capital adicionales, por lo tanto, la posibilidad de utilizar accionamiento eléctrico variable en unidades de bombeo se determina comparando los costos reducidos. de dos opciones: básico y nuevo. Se toma como nueva opción una unidad de bombeo equipada con un accionamiento eléctrico regulable, y se toma como principal una unidad cuyas unidades funcionan a velocidad constante.