雷神電氣泵控制軟啟動器減少水錘及防止電涌

摘要:雷神電氣提供了專門設計用于減少或消除泵系統中水錘現象的新解決方案,它們使用了專為泵控制應用開發的高級啟動和停止算法。...

軟啟動器和VFD可用于延長HVAC應用中的設備壽命。

雷神電氣提供了專門設計用于減少或消除泵系統中水錘現象的新解決方案,它們使用了專為泵控制應用開發的高級啟動和停止算法。軟啟動器可以有效地用于增加HVAC應用中所依賴的風扇和鼓風機。此外,變頻驅動器(VFD)可以用于依賴變速控制來節省能源的應用中。
帶泵控制的軟起動器
 水錘和涌動
當流量突然變化時,在泵系統中會發生喘振或壓力瞬變。這些波動可能是由啟動和/或停止泵,打開或關閉閥門以及許多其他來源引起的??梢允褂枚喾N減少機械浪涌的技術,但是這些技術往往成本高昂且復雜。泵電動機的電子啟動和停止是一種經濟有效的解決方案,可減少電涌或錘擊問題。
當施加全線電壓來啟動直接連接到軸的電動機時,泵通常會在不到1/4秒的時間內從零快速加速到全速。這意味著來自泵的流量也從零增加到總容量,同樣快。流體只能輕微壓縮并具有動量。結果,當系統尋求平衡時,短時間內流量的大變化會導致高壓和低壓喘振和氣蝕,這會產生不良影響。
具體來說,壓力波動會給管子壁施加壓力,并引起水錘或錘擊,這是很大的聲音,聽起來像是用槌錘敲打了管子。聲音比較瑣碎。高壓瞬變造成的物理損壞會導致管道破裂,而極低的瞬變會導致管道坍塌??栈a生攪動的液體和部分真空的區域。管道內襯可能被腐蝕,液體可能被蒸發掉。這些影響還會損壞閥門和配件,這些影響會導致停機和費用增加。
突然啟動和停止泵會導致流量快速變化,從而引起水錘和壓力波動。通過控制泵電動機的加減速,可以將這些問題降到較低。
啟動和停止方法
在比較啟動方法之前,先更好地定義泵系統與泵電動機之間的關系。流體系統壓力的變化與電動機轉矩的變化成正比,因為離心泵通常直接與電動機相連。電動機特性可以通過速度/轉矩曲線來描述。流體流量與速度(電機rpm)成正比,壓力與轉矩成正比。因此,可以直接比較泵的轉矩要求和電動機的轉矩曲線
啟動和停止泵電機的三種常見方法包括:

  • 在線直接(關閉接觸器并向電動機施加全電壓)
  • 固態降壓啟動
  • 軟啟動控制器

直接在線啟動(DOL

通常,在啟動周期中,電動機轉矩輸出會超出泵的要求。堵轉轉矩(LRT)是電動機在零速時電動機端子上的滿電壓情況下產生的轉矩。在全速運行時,LRT可能高達電機轉矩的180%。擊穿扭矩(BT)是電動機可以產生的MAX扭矩,可以高達滿載扭矩的250%。電動機產生的轉矩與負載所需轉矩之間的差稱為加速轉矩。
加速轉矩使電動機旋轉連接的負載。對于泵,直接在線啟動電動機產生的過大的加速扭矩會導致泵快速加速,從而可能引起電涌或錘擊。

固態降壓啟動(SSRV

如果可以增加流量從零變為100%的時間,則可以減少錘擊。這可以通過減少電動機傳遞的加速轉矩來實現。較小的加速轉矩意味著較小的力來轉動負載,并且需要更長的時間來改變泵的速度。這可以通過使用固態降壓啟動器在預設時間內(通常從2秒調整到30秒)將施加到電動機的電壓從零緩慢升高到滿電壓來實現。
可以比較感應電動機的直接在線啟動和SSRV啟動的速度轉矩特性。通過SSRV啟動,與直接在線方法相比,可以進一步降低加速扭矩,因為固態電動機控制器的啟動電壓可以從較低的初始電壓值開始,然后逐漸上升至全電壓值。施加到電動機上的扭矩也會逐漸增加。
但是,在斜坡結束時,會有過大的加速扭矩。轉矩的這種突然變化會在啟動周期結束時產生相應的速度(流量)突發,并且隨著泵電機迅速接近100%的速度,還會導致錘擊。這是使用SSRV起動器時仍然存在擊穿扭矩的結果。在啟動周期結束時,由于電動機特性,泵電動機轉矩的突然激增會導致流量激增。這可能是因為SSRV啟動會使電壓升高,而不管電動機的性能如何。簡而言之,SSRV起動可以改善泵電動機的起動轉矩特性,但不能控制引起電涌的擊穿轉矩。

帶泵控制的軟啟動控制器

圖1比較了DOL啟動,固態降低電壓和Pump Control啟動速度與時間的關系曲線。通過啟動泵控制,可以通過使用高級算法仔細控制輸出到電動機的轉矩,來大大降低DOL和固態降低電壓期間產生的電涌。由于扭矩沒有突然變化,因此電機加速平穩,并且將系統中的電涌和沖擊降至MIN。

帶泵控制的軟起動器控制器,用于停止泵電動機

停止泵對于減少喘振和錘擊與起動一樣重要。在此討論中,示例將限于速度(流量)與時間的關系,請參見圖2。當應用DOL起動器時,啟動停止命令后泵電機將慣性停車(請參見圖2中的DOL慣性停車)。系統揚程將迅速克服電機慣性,泵將迅速停止。正在運動并具有動量的流體也必須完全停止運動。此動作會引起管道和閥門上的壓力波動,并可能損壞系統。
在許多應用中,軟停止無法防止泵送應用中所需的電機轉矩突然變化。啟動軟停止后,電壓會在用戶選擇的時間內從全電壓升至零伏(請參見圖2中的軟停止)。電壓降低導致轉矩降低,并且泵開始減速。但是,會很快達到負載轉矩需求超過電動機轉矩供應且電動機失速的位置。效果雖然不那么嚴重,但與關閉閥門時一樣,并且會發生錘擊。
有一些軟啟動控制器,可以通過類似于加速控制的方法來控制泵馬達的減速。發出停止命令后,控制器會降低電動機速度,以防止轉矩突然變化,從而MAX程度地減小系統中的波動。軟啟動控制器繼續減小泵電動機的轉矩,從而產生如圖2所示的速度特性。這種類型的泵電動機減速曲線使系統中的波動或沖擊MIN,因為不會突然改變流量。

2. 在線啟動,軟啟動和泵控制停止特性的比較

帶泵控制的軟起動器控制器,用于啟動和停止泵電動機

總而言之,圖3比較了使用不同啟動/停止技術時的流量與時間。在啟動和停止離心泵電機時,具有泵控制功能的軟啟動控制器可以產生理想的流量特性。流量沒有突然的峰值或中斷,不會使系統中的波動和水錘降低。

3. 在線啟動,軟啟動和泵控制的啟動和停止曲線的比較
HVAC應用中的VFD
軟啟動器能夠使系統達到電動機的MAX速度并保持系統可靠地運行,而變速驅動器則可以通過使電動機的速度與應用需求緊密匹配來幫助實現節能。
驅動器可以根據應用要求改變電動機的速度。親和力定律規定,所消耗的功率與rpm的立方成正比。這意味著將速度降低20%,可以將功耗降低一半。VFD能夠幫助實現節能和相關的成本節省。
結論—有效控制可使系統可靠運行
解決水錘或電涌問題時,電氣解決方案的成本通常比機械解決方案的成本低。電氣解決方案的初始成本往往會比專用控制閥的初始成本低,并且復雜度也較低。此外,電氣解決方案不需要使用專用閥進行頻繁的維護/系統關閉。具有泵控制功能的軟啟動器控制器是泵系統的首選啟動和停止方法。
業內大多數軟起動器都具有廣泛的監視和保護功能,可以消除對某些外部設備的使用。其中包括相位監控,電流監控和電壓監控。采用VFD和軟啟動器的解決方案可以節省大量能源(和成本),并有助于延長設備壽命并降低維護成本。


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