Насосная станция холодного водоснабжения

привод по схеме асинхронно-вентильного  каскада - асинхронных электродвигателей  переменного тока с фазным ротором;

частотный привод - асинхронных короткозамкнутых электродвигателей переменного тока;

привод на базе вентильного электродвигателя – синхронных электродвигателей  переменного тока.

  Применение регулируемого привода, с одной стороны, стабилизирует давление в водопроводной сети; за счет этого обеспечивается экономия электроэнергии на подачу воды, сокращаются утечки и непроизводительные расходы воды, появляется возможность уменьшить площадь насосных станций путем увеличения единичной мощности насосных агрегатов и уменьшения их количества.

   При разработке технико-экономического обоснования эти факторы должны быть учтены и сопоставлены по приведенным затратам.

   Применение системы автоматического регулирования (САР) с регулируемым приводом, как правило, обеспечивает экономию электроэнергии до 30%. Расход воды за счет сокращения утечек и непроизводительных расходов уменьшается на 3-4%.

  Многоскоростные электродвигатели рекомендуется использовать в тех случаях, когда применение плавно регулируемых приводов экономически не оправдано, например при ступенчатом изменении водопотребления, а также при отсутствии подходящих по параметрам плавно регулируемых приводов. Двух- и многоскоростные двигатели позволяют увеличивать число напорных характеристик насосной установки без увеличения количества насосных агрегатов.

  В последнее время для регулирования числа оборотов широко применяется частотно-регулируемый привод насоса. Частотно-регулируемый привод включает в себя преобразователь частоты и асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, являющийся составной частью насоса. Преобразователи частоты- это силовые электронные устройства, предназначенные для преобразования одно- или трехфазного напряжения с постоянной частотой 50 Гц в трехфазное переменной  требуемой частоты. Это свойство преобразователя частоты позволяет использовать их для бесступенчатого регулирования скорости любых асинхронных электродвигателей, в том числе электродвигателей насосов и компрессоров. Скорость вращения асинхронного электродвигателя при использовании преобразователя частоты регулируется путем изменения частоты и напряжения питания двигателя. КПД такого преобразования составляет около 98%, из сети потребляется практически только активная составляющая тока нагрузки, микропроцессорная система управления обеспечивает высокое качество управления электродвигателем и контролирует множество его параметров, предотвращая возможность развития аварийных ситуаций.

  При соединении насоса с электродвигателем с помощью преобразователя частоты пуск двигателя происходит плавно, без пусковых токов и ударов, что снижает нагрузку на двигатель и механизмы, увеличивая срок их службы. Применение регулируемого электропривода на базе преобразователей частоты обеспечивает:

сокращение потребления электроэнергии при уменьшении требуемого напора;

работу силового электрооборудования без компенсирующих конденсаторов;

увеличение срока службы оборудования, трубопроводов и уменьшение затрат на их обслуживание;

минимальную зависимость хода технологического процесса от действий обслуживающего персонала;

возможность полной автоматизации технологических процессов с исключением субъективного фактора в оперативном управлении;

возможность сокращения количества работающих насосных агрегатов за счет увеличения мощности одного или двух действующих  и, соответственно, уменьшения строительных объемов при  капитальном строительстве или ремонте;

возможность уменьшения заявленной электрической  мощности за счет исключения значительных пусковых токов при традиционном пуске насосного агрегата;

снижение количества аварий сети и  насосных агрегатов за счет возможности применения плавного пуска;

возможность автоматического повторного включения насоса;

повышение надежности электрооборудования  за счет устранения ударных пусковых токов.

 Экономия электроэнергии обеспечивается за счет снижения избыточных напоров на выходе насосных агрегатов, а также повышения их КПД.

 Управление аппаратурой частотного регулирования осуществляется встроенным контроллером, который обеспечивает поддержание заданного давления при изменениях расхода, выполнение требуемой последовательности, операций пуска и остановки насоса, технологические блокировки, идентификацию аварий, выполнение операций повторного включения или автоматического включения резервного агрегата, сбор и передачу на диспетчерский пункт информации о работе насоса.

Стоимость аппаратуры частотного регулирования  довольно высока, однако экономия электроэнергии при регулировании достигает 20-30%, вследствие чего затраты на аппаратуру окупаются, как правило, в течение 2 лет.

  Кроме того, современные преобразователи частоты обладают широким набором функций и позволяют осуществлять автоматизацию насосных станций.

         Основным элементом частотного электропривода является частотный преобразователь. В преобразователе постоянная частота питающей сети f₁ преобразуется в переменную f₂. Пропорционально частоте f₂ изменяется частота вращения электродвигателя, подключенного к выходу  преобразователя.

  Частотные преобразователи подразделяются на два основных вида: с промежуточным звеном постоянного тока и с непосредственной связью. Схемы частотного преобразователя первого вида представлены на рисунке  .

Преобразователь состоит из выпрямителя  В, фильтра Ф и инвертора И.

 Посредством частотного преобразователя практически неизменные сетевые параметры напряжения  U₁ и частота f₁ преобразуются в изменяемые параметры U₂ и f₂, требуемые для системы управления.

 

 

  Для обеспечения устойчивой работы электродвигателя, ограничения его перегрузки по току и магнитному потоку, поддержания высоких энергетических показателей в частотном преобразователе должно поддерживаться определенное соотношение между его входными и выходными параметрами, зависящее от вида механической характеристики насоса. Эти соотношения получаются из уравнения закона частотного регулирования Костенко

                             U₁/U₂=f₁/f₂ M₁/M₂.                                               (1.9)

      

  Для насосов, работающих без статического напора, чья механическая характеристика описывается уравнением квадратичной параболы, должно соблюдаться соотношение

                            U₁/f₁²=U₁/f₂²=const.                                                  (2)

  Для насосов, работающих со статическим напором, должно соблюдаться более сложное соотношение

                                     U₁/f₁^1+k/2=U₁/f₂^1+k/2,                                                 (2.1)

где  k- показатель степени в уравнении  механической характеристики насоса.

        На практике  чаще всего в насосных установках  используются преобразователи общего  назначения, обеспечивающие соотношение

                                  U₁/f₁=U₁/f₂=const.                                             (2.2)

 

 

                                      

            

 

 

 

 

 

 

 

 

VS1-VS6                                           VD1-VD6            VS7-VS12

 

 

           

Рисунок 1.8. Схема частотного электропривода с инвертором напряжения.

  При дальнейшем снижении частоты активное сопротивление статоре R₁ становится соизмеримым со значением x_k и максимум момента двигателя снижается. Это происходит как вследствие уменьшения потока двигателя     из-за увеличивающейся доли падения напряжения на R₁ от общего приложенного напряжения, так и уменьшения абсолютного критического скольжения, определяемого формулой, что приводит даже при неизменном потоке к уменьшению момента вследствие уменьшения тока ротора в соответствии с выражением M=kФI₂ cos γ₂.

     Для поддержания достаточной перегрузочной способности во всем диапазоне регулирования необходимо при малых частотах уменьшать напряжение в меньшей степени, чем снижается частота.

 В частотных преобразователях на базе АИН (см. рис 1.8) в звене постоянного тока выпрямляется напряжение. Сглаживающий фильтр в этих преобразователях состоит из реактора, включенного последовательно с инвертором, и конденсатора, подключаемого параллельно АИН. На выходе преобразователя форма кривой выходного напряжения (обычно прямоугольная) определяется порядком переключения тиристоров, а форма кривой тока (синусоидальная) зависит от характера нагрузки.

 Частотные преобразователи на базе АИН с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) имеют более высокие энергетические характеристики за счет того, что на выходе преобразователя обеспечивается форма кривых тока и напряжения, приближающаяся к синусоидальной. В этих преобразователях, в отличие от описанных выше, могут использоваться неуправляемые выпрямители. Система преобразователь частоты асинхронный двигатель легко встраивается системы автоматизации технологических процессов, и в данном случае позволит при введении обратной связи подавлению стабилизировать давление в сети, тем самым снизить потери воды от превышения давления. В настоящее время подобные частотные преобразователи выпускаются многими производителями и их номенклатура позволяет выбрать необходимый преобразователь для нашего случая.

 

2. Статические характеристики системы ПЧ-АД.

2.1 Механические характеристики ПЧ-АД.

Как было указано выше, механическая характеристика насоса описывается  уравнением квадратичной параболой и закон частотного регулирования для этого случая предлагается в виде U/f²=const. Но для данного случая в целях обеспечения надежного пуска на открытые задвижки примем закон регулирования U/f=const в самом простом виде без сохранения перегрузочной способности на нижних частотах. Поэтому далее производим расчет механических характеристик для данного закона.

Характерные точки механической характеристики следующие:

1) s=0, M=0 – точка идеального холостого хода, при этом скорость двигателя равна синхронной;

2) s= s_ном, , М= М_ном – что соответствует номинальной скорости и номинальному моменту

3) s=s_к, М=М_к,,– максимальный момент в двигательном режиме;

4) s=l, М=М_п – начальный пусковой момент;

На рис 4.3 приведена механическая характеристика АД. Отметим, что она соответствует определенному чередованию фаз питающего напряжения сети U₁. При изменении порядка чередования двух фаз АД имеет аналогичную механическую характеристику, которая располагается симметрично относительно начала координат.

         Построим естественную механическую характеристику для асинхронного двигателя 4А160M4У3 в двигательном режиме работы.

Таблица 2.1 - Паспортные данные асинхронного двигателя 4А160M4У3

Мощность РН, кВт	18,5
Номинальный ток при 380 В IH, А	37,1
Синхронная скорость вращения  nH, об/мин	1500
Коэффициент мощности,	0,8
Напряжение U, В	380
	4,3
Активное сопротивление  статора R1, Ом	0.042
Реактивное сопротивление  статора Х1, Ом	0.085
Энергопоказатели КПД при P2/P2ном	89,5
Энергопоказатели Cos при P2/P2ном	0.88
Активное сопротивление  статора R2,Ом	0.024
Реактивное сопротивление  статора  X2,Ом	0.13

 

 

2.1.1 Естественная механическая характеристика АД при U/f²=const(f= 50Гц)

Рассчитаем активное сопротивление R₁ и реактивное сопротивление X₁

 

 

 

 

 

 

Вращающий момент двигателя может  быть определен из выражения:

 

          (2.3)

 

Приравнивая dM/ds = 0, можно найти значение критического скольжения , при котором двигатель развивает максимальный (критический) момент:

 

              (2.4)

 

 

Знак «+» относится  к двигательному режиму или торможению противовключения.

Подставим значение в выражение момента асинхронного двигателя и найдем значение максимального (критического) момента:

 

          Нм                                                                                                                

 

где - угловая синхронная скорость;

 

 рад/с

 

  n - скорость вращения в об/мин; p – число пар полюсов.

Из полученных выражений получим  уравнение для нахождения момента  асинхронного двигателя в двигательном режиме и построения естественной механической характеристики:

 

        (2.5)

 

где - максимальный (критический) момент двигателя;

- критическое скольжение;