Acionamento elétrico de unidades de bombeamento com frequência

Os modos de operação das bombas centrífugas são os mais eficientes energeticamente para ajustar alterando a velocidade de rotação de suas rodas. A velocidade de rotação das rodas pode ser alterada se um acionamento elétrico ajustável for usado como motor de acionamento.
O design e as características das turbinas a gás e dos motores de combustão interna são tais que podem fornecer uma mudança na velocidade de rotação dentro da faixa necessária.

O processo de ajuste da velocidade de rotação de cada mecanismo é convenientemente analisado a partir das características mecânicas do dispositivo.

Considere as características mecânicas de uma unidade de bombeamento composta por uma bomba e um motor elétrico. Na fig. 1 mostra as características mecânicas de uma bomba centrífuga equipada com uma válvula de retenção (curva 1) e um motor elétrico com rotor em gaiola de esquilo (curva 2).

Arroz. 1. Características mecânicas da unidade de bombeamento

A diferença entre os valores de torque do motor elétrico e o torque de resistência da bomba é chamada de torque dinâmico.Se o torque do motor for maior que o momento de resistência da bomba, o torque dinâmico é considerado positivo, se for menor, é negativo.

Sob a influência de um momento dinâmico positivo, a unidade da bomba começa a funcionar com aceleração, ou seja, acelera. Se o torque dinâmico for negativo, a unidade da bomba funciona com um atraso, ou seja, diminui a velocidade.

Quando esses momentos são iguais, ocorre um modo de operação estacionário, ou seja, a unidade da bomba funciona a uma velocidade constante. Esta velocidade e o torque correspondente são determinados pela interseção das características mecânicas do motor elétrico e da bomba (ponto a na Fig. 1).

Se no processo de ajuste de uma forma ou de outra a característica mecânica mudar, por exemplo, para tornar-se mais suave pela introdução de um resistor adicional no circuito do rotor do motor elétrico (curva 3 na Fig. 1), o torque do motor elétrico ficará pequeno do momento de resistência.

Sob a influência de um torque dinâmico negativo, a unidade da bomba começa a funcionar com atraso, ou seja, desacelera até que o torque e o momento de resistência se equilibrem novamente (ponto b na Fig. 1). Este ponto corresponde ao autovalor da velocidade e do torque.

Assim, o processo de controle da velocidade de rotação da unidade de bombeamento é constantemente acompanhado por mudanças no torque do motor elétrico e no momento de resistência da bomba.

O controle da velocidade da bomba pode ser feito alterando a velocidade do motor elétrico, que está rigidamente conectado à bomba, ou alterando a relação de transmissão da transmissão que conecta a bomba ao motor elétrico, que funciona a uma velocidade constante.

Regulação da velocidade de rotação de motores elétricos

Os motores CA são usados ​​principalmente em unidades de bombeamento. A velocidade de rotação de um motor CA depende da frequência da corrente de alimentação f, do número de pares de pólos p e do escorregamento s. Ao alterar um ou mais desses parâmetros, você pode alterar a velocidade do motor elétrico e da bomba conectada a ele.

O elemento principal do acionamento elétrico de frequência é conversor de frequência… O inversor tem uma frequência de rede constante f1 convertida em variável e2. Proporcional à frequência e2 altera a velocidade do motor elétrico conectado à saída do conversor.

Com um conversor de frequência, a tensão de rede U1 e a frequência praticamente não mudam f1 convertido em parâmetros variáveis ​​U2 e e2 necessários para o sistema de controle. Para garantir um funcionamento estável do motor elétrico, para limitar sua sobrecarga em termos de corrente e fluxo magnético, para manter altos indicadores de energia no conversor de frequência, uma certa relação entre seus parâmetros de entrada e saída deve ser mantida dependendo do tipo de características da bomba mecânica. Essas relações são derivadas da equação da lei de controle de frequência.

Para bombas, deve-se observar a relação:

U1 / f1 = U2 / f2 = constante

Na fig. 2 mostra as características mecânicas de um motor de indução com regulação de frequência.À medida que a frequência f2 diminui, a característica mecânica não apenas muda sua posição nas coordenadas n — M, mas também muda até certo ponto sua forma. Em particular, o torque máximo do motor elétrico é reduzido. Isso se deve ao fato de que com uma relação de U1 / f1 = U2 / f2 = const e a mudança na frequência f1 não leva em consideração o efeito da resistência ativa do estator na magnitude do torque do motor.

Arroz. 2. Características mecânicas de um acionamento elétrico de frequência em frequências máximas (1) e reduzidas (2)

Ao ajustar a frequência, levando em consideração essa influência, o torque máximo permanece inalterado, a forma da característica mecânica é preservada, apenas sua posição muda.

Conversores de frequência com modulação por largura de pulso (PWM) têm características de alta energia devido ao fato de que a forma das curvas de corrente e tensão se aproximando da senoidal é fornecida na saída do conversor. Recentemente, os conversores de frequência baseados em módulos IGBT (transistores bipolares de porta isolada) são os mais difundidos.

O módulo IGBT é um elemento-chave de alta eficiência. Possui baixa queda de tensão, alta velocidade e baixo poder de comutação. O conversor de frequência baseado em módulos IGBT com PWM e algoritmo vetorial para controlar um motor assíncrono tem vantagens sobre outros tipos de conversores. Possui um alto fator de potência em toda a faixa de frequência de saída.

O diagrama esquemático do conversor é mostrado na fig. 3.

Arroz. 3.Esquema de um conversor de frequência de módulos IGBT: 1 — bloco de torcedores; 2 — fonte de alimentação; 3 — retificador não controlado; 4 — painel de controle; 5 — placa do painel de controle; 6 — PWM; 7 — unidade de conversão de tensão; 8 — placa de controle do sistema; 9 — motoristas; 10 — fusíveis para a unidade inversora; 11 — sensores de corrente; 12 — motor assíncrono de gaiola de esquilo; Q1, Q2, Q3 — interruptores para circuito de potência, circuito de controle e unidade do ventilador; K1, K2 — contatores para carregar capacitores e circuito de potência; C — banco de capacitores; Rl, R2, R3 - resistores para limitar a corrente da carga do capacitor, a descarga dos capacitores e o bloco de drenagem; VT - Chaves de Potência do Inversor (Módulos IGBT)

Na saída do conversor de frequência, forma-se uma curva de tensão (corrente), ligeiramente diferente de uma senóide, contendo componentes harmônicos mais elevados. A sua presença leva a um aumento das perdas no motor elétrico. Por este motivo, quando o acionamento elétrico opera em velocidade próxima à nominal, o motor elétrico é sobrecarregado.

Ao operar em velocidades reduzidas, as condições de resfriamento para motores elétricos autoventilados usados ​​em acionamentos de bombas se deterioram. Na faixa de controle normal das unidades de bombeamento (1: 2 ou 1: 3), essa deterioração das condições de ventilação é compensada por uma redução significativa da carga devido à redução da vazão e da altura da bomba.

Ao operar em frequências próximas ao valor nominal (50 Hz), a deterioração das condições de resfriamento em combinação com o aparecimento de harmônicos de ordem superior requer uma redução da potência mecânica permitida em 8-15%.Devido a isso, o torque máximo do motor elétrico é reduzido em 1 — 2%, sua eficiência — em 1 — 4%, cosφ — em 5-7%.

Para evitar a sobrecarga do motor elétrico, é necessário limitar o valor superior de sua velocidade ou equipar o acionamento com um motor elétrico mais potente. A última medida é obrigatória quando a unidade de bombeamento é projetada para operar na frequência e2 > 50 Hz. A limitação do valor superior das rotações do motor é feita limitando a frequência e2 a 48 Hz. O aumento da potência nominal do motor de acionamento é arredondado para o valor padrão mais próximo.

Controle de grupo de acionamentos de blocos elétricos variáveis

Muitos conjuntos de bombas consistem em vários blocos. Como regra, nem todas as unidades são equipadas com um acionamento elétrico ajustável. A partir de duas ou três unidades instaladas, basta equipar uma com acionamento elétrico regulável. Se um conversor estiver permanentemente conectado a uma das unidades, ocorre um consumo desigual de seu recurso motor, pois a unidade equipada com variador de velocidade é utilizada por muito mais tempo.

Para distribuição uniforme da carga entre todos os blocos instalados na estação, foram desenvolvidas estações de controle de grupo, com a ajuda das quais os blocos podem ser conectados em série ao conversor. As estações de controle são normalmente fabricadas para unidades de baixa tensão (380 V).

Normalmente, as estações de controle de baixa tensão são projetadas para controlar duas ou três unidades.As estações de controle de baixa tensão incluem disjuntores que fornecem proteção contra curto-circuito fase-fase e aterramento, relés térmicos para proteger os dispositivos contra sobrecarga, bem como equipamentos de controle (interruptores, postagens de botão e outros.).

O circuito de comutação da estação de controle contém os intertravamentos necessários que permitem que o conversor de frequência seja conectado a qualquer bloco selecionado e substitua os blocos de trabalho sem perturbar o modo tecnológico de operação da unidade de bombeamento ou sopro.

As estações de controle, como regra, juntamente com os elementos de potência (interruptores automáticos, contatores, etc.) contêm dispositivos de controle e regulação (controladores microprocessados, etc.).

A pedido do cliente, as estações são equipadas com dispositivos para acionamento automático de energia de backup (ATS), medição comercial de eletricidade consumida, controle de desligamento de equipamentos.

Se necessário, são introduzidos dispositivos adicionais na estação de controle, que garantem o uso, juntamente com o conversor de frequência, do soft starter das unidades.

As estações de controle automatizadas fornecem:

• mantendo o valor definido do parâmetro tecnológico (pressão, nível, temperatura, etc.);

• controle dos modos de operação de motores elétricos de unidades reguladas e não reguladas (controle de corrente consumida, potência) e sua proteção;

• início automático do dispositivo de backup em caso de falha do dispositivo principal;

• blocos de comutação diretamente para a rede em caso de falha do conversor de frequência;

• acionamento automático da entrada elétrica de backup (ATS);

• reconexão automática (AR) da estação após perdas e quedas profundas de tensão na rede elétrica;

• mudança automática do modo de operação da estação com parada e partida das unidades de trabalho em um determinado momento;

• ativação automática de uma unidade adicional não regulada se a unidade controlada, atingindo a velocidade nominal, não fornecer o suprimento de água necessário;

• alternância automática de blocos de trabalho em determinados intervalos para garantir o consumo uniforme dos recursos motores;

• controle operacional do modo de operação da unidade de bombeamento (sopro) do painel de controle ou do painel de controle.

Arroz. 4. Estação para controle de grupo de acionamentos elétricos de bombas de frequência variável

A eficiência do uso de frequência variável em unidades de bombeamento

O uso de um variador de frequência permite economizar energia significativamente, pois possibilita o uso de grandes unidades de bombeamento com baixas vazões. Graças a isso, é possível, aumentando a capacidade unitária das unidades, reduzir seu número total e, consequentemente, reduzir as dimensões gerais dos edifícios, simplificar o esquema hidráulico da estação e reduzir o número de tubulações válvulas.

Assim, a utilização de acionamento elétrico regulável nas unidades elevatórias permite, a par da poupança de eletricidade e água, reduzir o número de unidades elevatórias, simplificar o circuito hidráulico da estação e reduzir os volumes de construção do edifício da estação elevatória.A este respeito, surgem efeitos económicos secundários: os custos de aquecimento, iluminação e reparação do edifício são reduzidos, os custos reduzidos, dependendo da finalidade das estações e de outras condições específicas, podem ser reduzidos em 20-50%.

A documentação técnica para conversores de frequência mostra que o uso de um acionamento elétrico ajustável em unidades de bombeamento permite economizar até 50% da energia gasta no bombeamento de água limpa e residual, e o período de retorno é de três a nove meses.

Ao mesmo tempo, cálculos e análises da eficácia do acionamento elétrico controlado em unidades de bombeamento em operação mostram que, para pequenas unidades de bombeamento com potência de até 75 kW, especialmente quando trabalham com um grande componente de pressão estática, resulta não é adequado para usar acionamentos elétricos controlados. Nesses casos, você pode usar sistemas de controle mais simples, usando estrangulamento, alterando o número de unidades de bombas em funcionamento.

O uso de acionamento elétrico variável em sistemas de automação de unidades de bombeamento, por um lado, reduz o consumo de energia e, por outro lado, requer custos de capital adicionais, portanto, a possibilidade de usar acionamento elétrico variável em unidades de bombeamento é determinada comparando os custos reduzidos de duas opções: básico e novo. Uma unidade de bombeamento equipada com acionamento elétrico ajustável é considerada uma nova opção, e uma unidade cujas unidades operam em velocidade constante é considerada a principal.