Entraînement électrique des groupes motopompes avec fréquence

Les modes de fonctionnement des pompes centrifuges sont les plus économes en énergie à régler en modifiant la vitesse de rotation de leurs roues. La vitesse de rotation des roues peut être modifiée si un entraînement électrique réglable est utilisé comme moteur d'entraînement.
La conception et les caractéristiques des turbines à gaz et des moteurs à combustion interne sont telles qu'elles peuvent fournir un changement de vitesse de rotation dans la plage requise.

Le processus de réglage de la vitesse de rotation de chaque mécanisme est commodément analysé à l'aide des caractéristiques mécaniques de l'appareil.

Considérons les caractéristiques mécaniques d'une unité de pompage composée d'une pompe et d'un moteur électrique. En figue. La figure 1 montre les caractéristiques mécaniques d'une pompe centrifuge équipée d'un clapet anti-retour (courbe 1) et d'un moteur électrique à rotor à cage d'écureuil (courbe 2).

Riz. 1. Caractéristiques mécaniques du groupe de pompage

La différence entre les valeurs de couple du moteur électrique et le couple résistant de la pompe est appelée couple dynamique.Si le couple du moteur est supérieur au moment de résistance de la pompe, le couple dynamique est considéré comme positif, s'il est inférieur, il est négatif.

Sous l'influence d'un moment dynamique positif, la pompe commence à fonctionner avec une accélération, c'est-à-dire s'accélère. Si le couple dynamique est négatif, le groupe motopompe fonctionne avec un retard, c'est-à-dire ralentit.

Lorsque ces moments sont égaux, un mode de fonctionnement stationnaire a lieu, c'est-à-dire le groupe motopompe fonctionne à vitesse constante. Cette vitesse et le couple correspondant sont déterminés par l'intersection des caractéristiques mécaniques du moteur électrique et de la pompe (point a de la Fig. 1).

Si dans le processus de réglage d'une manière ou d'une autre, la caractéristique mécanique change, par exemple pour devenir plus douce en introduisant une résistance supplémentaire dans le circuit du rotor du moteur électrique (courbe 3 de la Fig. 1), le couple du moteur électrique deviendra petite du moment de résistance.

Sous l'influence d'un couple dynamique négatif, le groupe motopompe commence à fonctionner avec un retard, c'est-à-dire ralentit jusqu'à ce que le couple et le moment résistant s'équilibrent à nouveau (point b de la Fig. 1). Ce point correspond à la valeur propre de la vitesse et du couple.

Ainsi, le processus de contrôle de la vitesse de rotation de l'unité de pompage s'accompagne constamment de modifications du couple du moteur électrique et du moment de résistance de la pompe.

Le contrôle de la vitesse de la pompe peut se faire soit en modifiant la vitesse du moteur électrique, qui est solidaire de la pompe, soit en modifiant le rapport de démultiplication de la transmission reliant la pompe au moteur électrique, qui tourne à vitesse constante.

Régulation de la vitesse de rotation des moteurs électriques

Les moteurs à courant alternatif sont principalement utilisés dans les unités de pompage. La vitesse de rotation d'un moteur à courant alternatif dépend de la fréquence du courant d'alimentation f, du nombre de paires de pôles p et du glissement s. En modifiant un ou plusieurs de ces paramètres, vous pouvez modifier la vitesse du moteur électrique et de la pompe qui lui est connectée.

L'élément principal de l'entraînement électrique à fréquence est Convertisseur de fréquence… L'onduleur a une fréquence de réseau constante f1 convertie en variable e2. Proportionnellement à la fréquence e2 change la vitesse du moteur électrique connecté à la sortie du convertisseur.

Avec un convertisseur de fréquence, la tension secteur U1 et la fréquence ne changent pratiquement pas f1 converties en paramètres variables U2 et e2 nécessaires au système de contrôle. Afin d'assurer un fonctionnement stable du moteur électrique, de limiter sa surcharge en termes de courant et de flux magnétique, de maintenir des indicateurs d'énergie élevés dans le variateur de fréquence, un certain rapport entre ses paramètres d'entrée et de sortie doit être maintenu en fonction du type de caractéristiques mécaniques de la pompe. Ces relations sont dérivées de l'équation de la loi de commande de fréquence.

Pour les pompes, le rapport doit être respecté :

U1 / f1 = U2 / f2 = const

En figue. La figure 2 montre les caractéristiques mécaniques d'un moteur à induction avec régulation de fréquence.Lorsque la fréquence f2 diminue, la caractéristique mécanique change non seulement sa position dans les coordonnées n - M, mais change dans une certaine mesure sa forme. En particulier, le couple maximal du moteur électrique est réduit. Cela est dû au fait qu'avec un rapport U1 / f1 = U2 / f2 = const et le changement de fréquence f1 ne tient pas compte de l'effet de la résistance active du stator sur l'amplitude du couple moteur.

Riz. 2. Caractéristiques mécaniques d'un entraînement électrique à fréquence maximale (1) et réduite (2)

Lors du réglage de la fréquence, compte tenu de cette influence, le couple maximal reste inchangé, la forme de la caractéristique mécanique est conservée, seule sa position change.

Convertisseurs de fréquence avec modulation de largeur d'impulsion (PWM) présentent des caractéristiques énergétiques élevées du fait que la forme des courbes de courant et de tension se rapprochant de la sinusoïdale est prévue en sortie du convertisseur. Récemment, les convertisseurs de fréquence basés sur des modules IGBT (transistors bipolaires à grille isolée) sont les plus répandus.

Le module IGBT est un élément clé à haut rendement. Il présente une faible chute de tension, une vitesse élevée et une faible puissance de commutation. Le convertisseur de fréquence basé sur des modules IGBT avec PWM et algorithme vectoriel pour contrôler un moteur asynchrone présente des avantages par rapport aux autres types de convertisseurs. Il a un facteur de puissance élevé sur toute la plage de fréquence de sortie.

Le schéma de principe du convertisseur est illustré à la fig. 3.

Riz. 3.Schéma d'un convertisseur de fréquence de modules IGBT : 1 - bloc de ventilateurs ; 2 - alimentation électrique ; 3 - redresseur non contrôlé ; 4 — panneau de commande ; 5 - tableau du panneau de commande ; 6 — PWM ; 7 - unité de conversion de tension ; 8 - tableau de commande du système ; 9 — conducteurs ; 10 - fusibles pour l'unité onduleur ; 11 — capteurs de courant ; 12 - moteur asynchrone à cage d'écureuil; Q1, Q2, Q3 — commutateurs pour le circuit d'alimentation, le circuit de commande et le ventilateur ; K1, K2 — contacteurs pour charger les condensateurs et le circuit de puissance ; C — batterie de condensateurs ; Rl, R2, R3 - résistances pour limiter le courant de charge du condensateur, la décharge des condensateurs et le bloc de drain; VT - Commutateurs de puissance de l'onduleur (modules IGBT)

À la sortie du convertisseur de fréquence, une courbe de tension (courant) se forme, légèrement différente d'une sinusoïde, contenant des composantes harmoniques supérieures. Leur présence entraîne une augmentation des pertes dans le moteur électrique. Pour cette raison, lorsque l'entraînement électrique fonctionne à une vitesse proche de la vitesse nominale, le moteur électrique est surchargé.

Lors d'un fonctionnement à vitesse réduite, les conditions de refroidissement des moteurs électriques autoventilés utilisés dans les entraînements de pompes se détériorent. Dans la plage de régulation normale des groupes de pompage (1 : 2 ou 1 : 3), cette dégradation des conditions de ventilation est compensée par une réduction importante de la charge due à une réduction du débit et de la hauteur de la pompe.

Lors d'un fonctionnement à des fréquences proches de la valeur nominale (50 Hz), la détérioration des conditions de refroidissement combinée à l'apparition d'harmoniques d'ordre supérieur nécessite une réduction de la puissance mécanique admissible de 8 à 15 %.De ce fait, le couple maximal du moteur électrique est réduit de 1 à 2 %, son efficacité de 1 à 4 %, cosφ de 5 à 7 %.

Afin d'éviter de surcharger le moteur électrique, il faut soit limiter la valeur supérieure de sa vitesse, soit équiper le variateur d'un moteur électrique plus puissant. La dernière mesure est obligatoire lorsque le groupe de pompage est conçu pour fonctionner à une fréquence e2 > 50 Hz. La limitation de la valeur haute des tours moteur se fait en limitant la fréquence e2 à 48 Hz. L'augmentation de la puissance nominale du moteur d'entraînement est arrondie à la valeur standard la plus proche.

Commande groupée d'entraînements de blocs électriques variables

De nombreux groupes motopompes se composent de plusieurs blocs. En règle générale, toutes les unités ne sont pas équipées d'un entraînement électrique réglable. A partir de deux ou trois unités installées, il suffit d'en équiper une d'une motorisation électrique réglable. Si un convertisseur est connecté en permanence à l'une des unités, il y a une consommation inégale de leur ressource motrice, puisque l'unité équipée d'un variateur de vitesse est utilisée beaucoup plus longtemps.

Pour une répartition uniforme de la charge entre tous les blocs installés dans la station, des stations de contrôle de groupe ont été développées, à l'aide desquelles les blocs peuvent être connectés en série au convertisseur. Les stations de contrôle sont généralement fabriquées pour des unités basse tension (380 V).

En règle générale, les stations de contrôle basse tension sont conçues pour contrôler deux ou trois unités.Les postes de contrôle basse tension comprennent des disjoncteurs qui assurent la protection contre les courts-circuits phase-phase et la mise à la terre, des relais thermiques pour protéger les appareils contre les surcharges, ainsi que des équipements de contrôle (interrupteurs, postes de bouton et d'autres.).

Le circuit de commutation de la station de contrôle contient les verrouillages nécessaires qui permettent au convertisseur de fréquence d'être connecté à n'importe quel bloc sélectionné et de remplacer les blocs de travail sans perturber le mode de fonctionnement technologique de l'unité de pompage ou de soufflage.

Les stations de contrôle, en règle générale, ainsi que les éléments de puissance (interrupteurs automatiques, contacteurs, etc.) contiennent des dispositifs de contrôle et de régulation (contrôleurs à microprocesseur, etc.).

A la demande du client, les postes sont équipés de dispositifs d'enclenchement automatique de l'alimentation de secours (ATS), de mesure commerciale de l'électricité consommée, de contrôle des équipements d'arrêt.

Si nécessaire, des dispositifs supplémentaires sont introduits dans la station de contrôle, qui assurent l'utilisation, avec le convertisseur de fréquence, du démarreur progressif des unités.

Les stations de contrôle automatisées fournissent :

• maintenir la valeur de consigne du paramètre technologique (pression, niveau, température, etc.);

• contrôle des modes de fonctionnement des moteurs électriques des unités régulées et non régulées (contrôle du courant consommé, de la puissance) et de leur protection ;

• démarrage automatique du dispositif de secours en cas de panne du dispositif principal ;

• commuter les blocs directement sur le réseau en cas de panne du convertisseur de fréquence ;

• allumage automatique de l'entrée électrique de secours (ATS) ;

• reconnexion automatique (AR) de la station après perte et chutes de tension profondes dans le réseau d'alimentation ;

• changement automatique du mode de fonctionnement de la station avec arrêt et démarrage des unités de travail à un instant donné ;

• activation automatique d'une unité supplémentaire non régulée si l'unité contrôlée, atteignant la vitesse nominale, ne fournissait pas l'alimentation en eau nécessaire ;

• alternance automatique des blocs de travail à certains intervalles pour assurer une consommation uniforme des ressources motrices ;

• contrôle opérationnel du mode de fonctionnement de l'unité de pompage (soufflage) à partir du panneau de commande ou du panneau de commande.

Riz. 4. Station de contrôle de groupe des entraînements électriques des pompes à fréquence variable

L'efficacité de l'utilisation de la fréquence variable dans les unités de pompage

L'utilisation d'un variateur de fréquence vous permet d'économiser de l'énergie de manière significative, car il permet d'utiliser de grandes unités de pompage à faible débit. Grâce à cela, il est possible, en augmentant la capacité unitaire des unités, de réduire leur nombre total et, par conséquent, de réduire l'encombrement des bâtiments, de simplifier le schéma hydraulique de la station et de réduire le nombre de conduites. vannes.

Ainsi, l'utilisation d'un entraînement électrique réglable dans les unités de pompage permet, en plus d'économiser de l'électricité et de l'eau, de réduire le nombre d'unités de pompage, de simplifier le circuit hydraulique de la station et de réduire les volumes de construction du bâtiment de la station de pompage.À cet égard, des effets économiques secondaires apparaissent: les coûts de chauffage, d'éclairage et de réparation du bâtiment sont réduits, les coûts réduits, en fonction de la destination des stations et d'autres conditions spécifiques, peuvent être réduits de 20 à 50%.

La documentation technique des convertisseurs de fréquence montre que l'utilisation d'un entraînement électrique réglable dans les unités de pompage vous permet d'économiser jusqu'à 50% de l'énergie dépensée pour pomper les eaux propres et usées, et la période de récupération est de trois à neuf mois.

Dans le même temps, les calculs et l'analyse de l'efficacité de l'entraînement électrique contrôlé dans les groupes de pompage en fonctionnement montrent que pour les petits groupes de pompage avec des unités d'une puissance allant jusqu'à 75 kW, en particulier lorsqu'ils fonctionnent avec une composante de pression statique importante, il s'avère ne convient pas à l'utilisation d'entraînements électriques contrôlés. Dans ces cas, vous pouvez utiliser des systèmes de contrôle plus simples en utilisant l'étranglement, en modifiant le nombre d'unités de pompe en fonctionnement.

L'utilisation d'un entraînement électrique variable dans les systèmes d'automatisation des groupes motopompes, d'une part, réduit la consommation d'énergie et, d'autre part, nécessite des coûts d'investissement supplémentaires. Par conséquent, la possibilité d'utiliser un entraînement électrique variable dans les groupes motopompes est déterminée en comparant les coûts réduits de deux options : de base et nouvelle. Une unité de pompage équipée d'un entraînement électrique réglable est considérée comme une nouvelle option, et une unité dont les unités fonctionnent à vitesse constante est considérée comme la principale.