محرك كهربائي لوحدات الضخ بالتردد

تعد أوضاع تشغيل مضخات الطرد المركزي هي الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة لضبطها عن طريق تغيير سرعة دوران عجلاتها. يمكن تغيير سرعة دوران العجلات إذا تم استخدام محرك كهربائي قابل للتعديل كمحرك محرك.
إن تصميم وخصائص توربينات الغاز ومحركات الاحتراق الداخلي يمكن أن توفر تغييرًا في سرعة الدوران ضمن النطاق المطلوب.

يتم تحليل عملية ضبط سرعة الدوران لكل آلية بشكل ملائم باستخدام الخصائص الميكانيكية للجهاز.

ضع في اعتبارك الخصائص الميكانيكية لوحدة ضخ تتكون من مضخة ومحرك كهربائي. في التين. يوضح الشكل 1 الخصائص الميكانيكية لمضخة طرد مركزي مزودة بصمام فحص (منحنى 1) ومحرك كهربائي بدوار على شكل قفص سنجاب (منحنى 2).

أرز. 1. الخصائص الميكانيكية لوحدة الضخ

يسمى الفرق بين قيم عزم دوران المحرك الكهربائي وعزم مقاومة المضخة بالعزم الديناميكي.إذا كان عزم دوران المحرك أكبر من لحظة مقاومة المضخة ، فإن العزم الديناميكي يعتبر موجبًا ، وإذا كان أقل ، يكون سالبًا.

تحت تأثير لحظة ديناميكية إيجابية ، تبدأ وحدة المضخة في العمل مع التسارع ، أي يسرع. إذا كان عزم الدوران الديناميكي سالبًا ، تعمل وحدة المضخة مع تأخير ، أي أبطئ.

عندما تكون هذه اللحظات متساوية ، يحدث وضع ثابت للعملية ، أي تعمل وحدة المضخة بسرعة ثابتة. يتم تحديد هذه السرعة والعزم المقابل من خلال تقاطع الخصائص الميكانيكية للمحرك الكهربائي والمضخة (النقطة أ في الشكل 1).

إذا تغيرت الخصائص الميكانيكية أثناء عملية الضبط بطريقة أو بأخرى ، على سبيل المثال ، لتصبح أكثر ليونة عن طريق إدخال مقاوم إضافي في الدائرة الدوارة للمحرك الكهربائي (المنحنى 3 في الشكل 1) ، فإن عزم دوران المحرك الكهربائي سيصبح صغيرا لحظة المقاومة.

تحت تأثير عزم دوران ديناميكي سلبي ، تبدأ وحدة المضخة في العمل مع تأخير ، أي يبطئ حتى توازن عزم الدوران والمقاومة مرة أخرى (النقطة ب في الشكل 1). تتوافق هذه النقطة مع القيمة الذاتية للسرعة وعزم الدوران.

وبالتالي ، فإن عملية التحكم في سرعة دوران وحدة الضخ تكون مصحوبة باستمرار بالتغيرات في عزم دوران المحرك الكهربائي ولحظة مقاومة المضخة.

يمكن التحكم في سرعة المضخة إما عن طريق تغيير سرعة المحرك الكهربائي ، الموصل بشكل صارم بالمضخة ، أو عن طريق تغيير نسبة التروس الخاصة بناقل الحركة الذي يربط المضخة بالمحرك الكهربائي ، والذي يعمل بسرعة ثابتة.

تنظيم سرعة دوران المحركات الكهربائية

تستخدم محركات التيار المتردد بشكل أساسي في وحدات الضخ. تعتمد سرعة دوران محرك التيار المتردد على تردد تيار الإمداد f وعدد أزواج الأقطاب p والانزلاق s. من خلال تغيير واحد أو أكثر من هذه المعلمات ، يمكنك تغيير سرعة المحرك الكهربائي والمضخة المتصلة به.

العنصر الرئيسي لمحرك التردد الكهربائي هو تحويل التردد... العاكس له تردد شبكة ثابت f1 محوّل إلى متغير e2. يتناسب مع التردد e2 يغير سرعة المحرك الكهربائي المتصل بإخراج المحول.

باستخدام محول التردد ، لا يغير جهد التيار الكهربائي U1 والتردد عمليًا تحويل f1 إلى معلمات متغيرة U2 و e2 ضرورية لنظام التحكم. من أجل ضمان التشغيل المستقر للمحرك الكهربائي ، للحد من الحمل الزائد من حيث التدفق الحالي والمغناطيسي ، للحفاظ على مؤشرات الطاقة العالية في محول التردد ، يجب الحفاظ على نسبة معينة بين معلمات الإدخال والإخراج وفقًا لنوع خصائص المضخة الميكانيكية. هذه العلاقات مستمدة من معادلة قانون التحكم في التردد.

بالنسبة للمضخات ، يجب مراعاة النسبة:

U1 / f1 = U2 / f2 = const

في التين. يوضح الشكل 2 الخصائص الميكانيكية للمحرك الحثي مع تنظيم التردد.مع انخفاض التردد f2 ، لا تغير الخاصية الميكانيكية موقعها في إحداثيات n - M فحسب ، بل تغير شكلها إلى حد ما. على وجه الخصوص ، يتم تقليل أقصى عزم دوران للمحرك الكهربائي. هذا يرجع إلى حقيقة أنه مع نسبة U1 / f1 = U2 / f2 = ثابت والتغير في التردد f1 لا يأخذ في الاعتبار تأثير المقاومة النشطة للجزء الثابت على حجم عزم دوران المحرك.

أرز. 2. الخصائص الميكانيكية لمحرك كهربائي بتردد بحد أقصى (1) وترددات مخفضة (2)

عند ضبط التردد ، مع مراعاة هذا التأثير ، يظل الحد الأقصى لعزم الدوران دون تغيير ، ويتم الحفاظ على شكل الخاصية الميكانيكية ، ويتغير موضعه فقط.

محولات التردد ذات تعديل عرض النبضة (PWM) لها خصائص طاقة عالية نظرًا لحقيقة أن شكل منحنيات التيار والجهد التي تقترب من الجيب الجيبي يتم توفيره عند إخراج المحول. في الآونة الأخيرة ، تعد محولات التردد القائمة على وحدات IGBT (الترانزستورات ثنائية القطب المعزولة للبوابة) هي الأكثر انتشارًا.

تعتبر وحدة IGBT عنصرًا رئيسيًا عالي الكفاءة. يتميز بانخفاض الجهد المنخفض ، السرعة العالية وقوة التحويل المنخفضة. محول التردد القائم على وحدات IGBT مع PWM وخوارزمية المتجه للتحكم في محرك غير متزامن له مزايا مقارنة بأنواع المحولات الأخرى. لديها عامل طاقة عالي على نطاق تردد الخرج بأكمله.

يظهر الرسم التخطيطي للمحول في الشكل. 3.

أرز. 3.مخطط محول التردد لوحدات IGBT: 1 - كتلة المشجعين ؛ 2 - مزود الطاقة ؛ 3 - المعدل غير المنضبط ؛ 4 - لوحة تحكم ؛ 5 - لوحة لوحة التحكم ؛ 6 - PWM ؛ 7 - وحدة تحويل الجهد ؛ 8 - لوحة تحكم النظام ؛ 9 - السائقين 10 - الصمامات لوحدة العاكس ؛ 11 - أجهزة الاستشعار الحالية ؛ 12 - محرك قفص السنجاب غير المتزامن ؛ Q1 ، Q2 ، Q3 - مفاتيح لدائرة الطاقة ودائرة التحكم ووحدة المروحة ؛ K1 ، K2 - موصلات لشحن المكثفات ودائرة الطاقة ؛ ج - مكثف بنك ؛ Rl ، R2 ، R3 - مقاومات للحد من تيار شحنة المكثف ، وتفريغ المكثفات وكتلة التصريف ؛ VT - مفاتيح الطاقة العاكس (وحدات IGBT)

عند خرج محول التردد ، يتشكل منحنى جهد (تيار) ، يختلف قليلاً عن الجيب الجيبي ، الذي يحتوي على مكونات توافقية أعلى. يؤدي وجودهم إلى زيادة الخسائر في المحرك الكهربائي. لهذا السبب ، عندما يعمل المحرك الكهربائي بسرعة قريبة من السرعة المقدرة ، يكون المحرك الكهربائي محملاً بشكل زائد.

عند التشغيل بسرعات منخفضة ، تتدهور ظروف التبريد للمحركات الكهربائية ذاتية التهوية المستخدمة في محركات المضخات. في نطاق التحكم الطبيعي لوحدات الضخ (1: 2 أو 1: 3) ، يتم تعويض هذا التدهور في ظروف التهوية عن طريق انخفاض كبير في الحمل بسبب انخفاض معدل التدفق ورأس المضخة.

عند التشغيل بترددات قريبة من القيمة الاسمية (50 هرتز) ، فإن تدهور ظروف التبريد مع ظهور التوافقيات ذات الترتيب الأعلى يتطلب تقليل القدرة الميكانيكية المسموح بها بنسبة 8-15٪.نتيجة لذلك ، يتم تقليل الحد الأقصى لعزم الدوران للمحرك الكهربائي بنسبة 1-2٪ ، وكفاءته - بنسبة 1-4٪ ، cosφ - بنسبة 5-7٪.

من أجل تجنب التحميل الزائد للمحرك الكهربائي ، من الضروري إما تحديد القيمة العليا لسرعته أو تزويد المحرك بمحرك كهربائي أكثر قوة. الإجراء الأخير إلزامي عندما تكون وحدة الضخ مصممة للعمل بتردد e2> 50 هرتز. يتم تحديد القيمة العليا لثورات المحرك عن طريق الحد من التردد e2 إلى 48 هرتز. يتم تقريب الزيادة في القدرة المقدرة لمحرك الدفع إلى أقرب قيمة قياسية.

التحكم الجماعي في محركات الكتل الكهربائية المتغيرة

تتكون العديد من مجموعات المضخات من عدة كتل. كقاعدة عامة ، ليست كل الوحدات مجهزة بمحرك كهربائي قابل للتعديل. من وحدتين أو ثلاث وحدات مثبتة ، يكفي تجهيز واحدة بمحرك كهربائي قابل للتعديل. إذا كان المحول متصلاً بشكل دائم بإحدى الوحدات ، فهناك استهلاك غير متساوٍ لمورد محركها ، حيث يتم استخدام الوحدة المجهزة بمحرك متغير السرعة لفترة أطول.

من أجل التوزيع المنتظم للحمل بين جميع الكتل المثبتة في المحطة ، تم تطوير محطات التحكم الجماعية ، والتي يمكن من خلالها توصيل الكتل في سلسلة بالمحول. عادة ما يتم تصنيع محطات التحكم لوحدات الجهد المنخفض (380 فولت).

عادة ، تم تصميم محطات التحكم ذات الجهد المنخفض للتحكم في وحدتين أو ثلاث وحدات.تشمل محطات التحكم ذات الجهد المنخفض قواطع الدائرة التي توفر الحماية ضد ماس كهربائى على مراحل المرحلة والتأريض ، والمرحلات الحرارية لحماية الأجهزة من الحمل الزائد ، وكذلك معدات التحكم (المفاتيح ، المشاركات زر و اخرين.).

تحتوي دائرة التبديل لمحطة التحكم على التشابك الضروري الذي يسمح بتوصيل محول التردد بأي كتلة محددة واستبدال كتل العمل دون الإخلال بالوضع التكنولوجي لتشغيل وحدة الضخ أو النفخ.

تحتوي محطات التحكم ، كقاعدة عامة ، جنبًا إلى جنب مع عناصر الطاقة (المفاتيح التلقائية ، الموصلات ، إلخ) على أجهزة تحكم وتنظيم (وحدات تحكم المعالجات الدقيقة ، إلخ).

بناءً على طلب العميل ، تم تجهيز المحطات بأجهزة التشغيل التلقائي للطاقة الاحتياطية (ATS) ، والقياس التجاري للكهرباء المستهلكة ، والتحكم في معدات الإغلاق.

إذا لزم الأمر ، يتم إدخال أجهزة إضافية في محطة التحكم ، والتي تضمن الاستخدام ، مع محول التردد ، للبادئ الناعم للوحدات.

توفر محطات التحكم الآلية:

• الحفاظ على القيمة المحددة للمعلمة التكنولوجية (الضغط ، المستوى ، درجة الحرارة ، إلخ) ؛

• التحكم في أوضاع تشغيل المحركات الكهربائية للوحدات المنظمة وغير المنظمة (التحكم في التيار المستهلك ، الطاقة) وحمايتها ؛

• البدء التلقائي لجهاز النسخ الاحتياطي في حالة فشل الجهاز الرئيسي ؛

• تحويل الكتل مباشرة إلى الشبكة في حالة فشل محول التردد ؛

• التبديل التلقائي للمدخلات الكهربائية الاحتياطية (ATS) ؛

• إعادة الاتصال التلقائي (AR) للمحطة بعد الفقد وانخفاض الجهد العميق في شبكة الإمداد بالطاقة ؛

• التغيير التلقائي لوضع تشغيل المحطة مع إيقاف وبدء وحدات العمل في وقت معين ؛

• التنشيط التلقائي لوحدة إضافية غير منظمة إذا كانت الوحدة الخاضعة للرقابة ، التي وصلت إلى السرعة الاسمية ، لا توفر إمدادات المياه اللازمة ؛

• التناوب التلقائي لكتل ​​العمل على فترات زمنية معينة لضمان الاستهلاك الموحد لموارد المحرك ؛

• التحكم التشغيلي في وضع تشغيل وحدة الضخ (النفخ) من لوحة التحكم أو من لوحة التحكم.

أرز. 4. محطة للتحكم الجماعي في المحركات الكهربائية لمضخات متغيرة التردد

كفاءة استخدام التردد المتغير في وحدات الضخ

يتيح لك استخدام محرك التردد المتغير توفير الطاقة بشكل كبير ، حيث يتيح لك استخدام وحدات ضخ كبيرة بمعدلات تدفق منخفضة. بفضل هذا ، من الممكن ، عن طريق زيادة سعة الوحدة للوحدات ، تقليل عددها الإجمالي ، وبالتالي تقليل الأبعاد الكلية للمباني ، وتبسيط المخطط الهيدروليكي للمحطة وتقليل عدد خطوط الأنابيب الصمامات.

وبالتالي ، فإن استخدام محرك كهربائي قابل للتعديل في وحدات الضخ يسمح ، إلى جانب توفير الكهرباء والماء ، بتقليل عدد وحدات الضخ ، وتبسيط الدائرة الهيدروليكية للمحطة وتقليل حجم إنشاء مبنى محطة الضخ.في هذا الصدد ، تنشأ آثار اقتصادية ثانوية: يتم تخفيض تكاليف التدفئة والإضاءة وإصلاح المبنى ، ويمكن خفض التكاليف ، اعتمادًا على الغرض من المحطات والظروف المحددة الأخرى ، بنسبة 20-50 ٪.

توضح الوثائق الفنية لمحولات التردد أن استخدام محرك كهربائي قابل للتعديل في وحدات الضخ يتيح لك توفير ما يصل إلى 50٪ من الطاقة التي يتم إنفاقها على ضخ المياه النظيفة والمهدرة ، وتتراوح فترة الاسترداد من ثلاثة إلى تسعة أشهر.

في الوقت نفسه ، تُظهر الحسابات والتحليل لفعالية محرك كهربائي متحكم به في وحدات ضخ التشغيل أنه بالنسبة لوحدات المضخات الصغيرة ذات الوحدات التي تصل طاقتها إلى 75 كيلو وات ، خاصةً عندما تعمل مع مكون ضغط ثابت كبير ، فقد تبين غير مناسب لاستخدام محركات كهربائية يتم التحكم فيها. في هذه الحالات ، يمكنك استخدام أنظمة تحكم أبسط باستخدام الاختناق ، وتغيير عدد وحدات المضخات العاملة.

استخدام محرك كهربائي متغير في أنظمة أتمتة وحدة المضخة ، من ناحية ، يقلل من استهلاك الطاقة ، ومن ناحية أخرى ، يتطلب تكاليف رأسمالية إضافية ، وبالتالي يتم تحديد إمكانية استخدام محرك كهربائي متغير في وحدات المضخات من خلال مقارنة التكاليف المخفضة من خيارين: أساسي وجديد. يتم أخذ وحدة الضخ المجهزة بمحرك كهربائي قابل للتعديل كخيار جديد ، والوحدة التي تعمل وحداتها بسرعة ثابتة تعتبر الوحدة الرئيسية.