Tài liệu Trang bị điện II (phần 6) doc

84 Chương 6 TRANG BỊ ĐIÊN MÁY BƠM 6.1- Khái niệm chung Bơm là máy thuỷ lực dùng để hút và đẩy chất lỏng từ nơi này đến nơi khác. Chất lỏng dịch chuyển trong đường ống nên bơm phải tăng áp suất chất lỏng ở đầu đường ống để thắng trở lực trên đường ống và thắng hiệu áp suất ở hai đầu. Thường sử dụng động cơ điện để làm nguồn n ăng lượng cấp cho bơm. 1. Phân loại -Theo nguyên lý làm việc hay cách cấp năng lượng cho bơm có: • Bơm thể tích: khi làm việc, không gian làm việc thay đổi nhờ chuyển động tịnh tiến của pittông (bơm pittông) hay nhờ chuyển động quay của rotor (bơm rotor). Kết quả là thế năng và áp suất chất lỏng tăng lên nghĩa là bơm cung cấp áp năng cho chất lỏng • Bơm động học: chất lỏng được cung c ấp động năng từ bơm và áp suất tăng lên. Chất lỏng qua bơm, thu được động lượng nhờ va đập của các cánh quạt (bơm ly tâm, bơm hướng trục) hoặc nhờ ma sát của tác nhân làm việc (bơm xoáy lốc, bơm tia; bơm chấn động, bơm vít xoắn, bơm sục khí) hoặc nhờ tác dụng của trường điện từ (bơm điện từ) hoặc các trườ ng lực khác. - Theo cấu tạo: • Bơm cánh quạt: trong loại này bơm ly tâm chiếm đa số và thường gặp nhất (bơm nước) • Bơm pittông (bơm dầu, bơm nước) • Bơm rotor (bơm dầu, hoá chất, bùn…) Ngoài ra còn có các loại đặc biệt như bơm màng cách (bơm xăng trong ôtô), bơm phun tia (tạo chân không trong các bơm lớn nhà máy nhiệt điện) 2. Sơ đồ các phần tử c ủa một hệ thống bơm 1- động cơ kéo bơm; 2-bơm 3-lưới; chắn rác; 4- bể hút 5- ống hút; 6- van ống hút; 7-van ống đẩy; 8-ống đẩy; 9-bể chứa; 10-van và đường ống phân phối tới nơi tiêu dùng; 11-chân không kế lắp ở đầu vào bơm, đo áp suất chân không do bơm tạo ra trong chất lỏng ; 12-áp kế lắp ở đầu ra bơm, đo áp suất dư của chất lỏng ra khỏi bơm. Hình 6.1 Các phần tử của hệ thống bơm 85 Bơm hút chất lỏng từ bể hút 4 qua ống hút 5 đẩy chất lỏng qua ống đẩy 8 vào bể chứa 9. 3. Các thông số cơ bản của bơm a) Cột áp H (hay áp suất bơm) là lượng tăng năng lượng riêng cho một đơn vị trọng lượng của chất lỏng chảy qua bơm (từ miệng hút đến miệng đẩy). Cột áp H được tính bằng mét cột chất lỏng ( hay mét cột nướ c ) hoặc tính đổi ra áp suất bơm. b) Lưu lượng (năng suất) bơm: là thể tích chất lỏng do bơm cung cấp vào ống trong một đơn vị thời gian; tính bằng m 3 /s, l/s, m 3 /h. c) Công suất bơm (P hay N): phân biệt 3 loại công suất - Công suất làm việc N i (công suất hữu ích) là công để đưa một lượng Q chất lỏng lên độ cao H trong một đơn vị thời gian (s). - Công suất động cơ kéo bơm (N đc ) công suất này thường lớn hơn N để bù hiệu suất truyền động giữa động cơ và bơm, ngoài ra còn dự phòng quá tải bất thường. - Hiệu suất bơm (η b ) là tỉ số giữa công suất hữu ích N i và công suất tại trục bơm N. Hiệu suất bơm gồm 3 thành phần: η b = η Q η H η m trong đó η Q - hiệu suất lưu lượng; η H - hiệu suất thuỷ lực; η m - hiệu suất cơ khí 4. Đặc tính của bơm: vì bơm có nhiều kiểu, mỗi kiểu có đặc tính cơ riêng mà động cơ phải có khi kéo bơm. Xét 2 loại điển hình a) Bơm ly tâm: là loại bơm động học có cánh quạt, bơm được nhiều loại chất lỏng khác nhau, giải lưu lượng rộng (vài l/ph – vài m3/s), cột áp kém hơn pittông nhưng đủ đáp ứng trong rất nhiều lĩnh vực sả n xuất, cấu tạo đơn giản, gọn, rẻ… Hình 6.2 Cấu tạo của bơm ly tâm Bơm ly tâm gồm có các bộ phận chính sau: Vỏ bơm 1 có kiểu dáng hình trôn ốc, trục 4 và bánh xe công tác 3 gắn trên trục 4. Trên bánh xe công tác 3 có gắn các cánh bơm 7, miệng hút 8 và miệng đẩy 9. Trước khi cho máy bơm hoạt động cần phải mồi bơm bằng cách đổ đầy vào 86 buồng trôn ốc qua phễu rót vào đường ống 10. Lúc này van 11 đóng lại do áp suất của cột nước trong đường ống hút 5. Khi động cơ truyền động bơm quay, bánh xe công tác với các bánh cong sẽ tạo ra lực ly tâm, làm cho chất lỏng trong các rãnh bị nén và đẩy ra phía đầu cuối của các cánh bơm đưa chất lỏng vào buồng trôn ốc và thoát ra ở đường ống 9. Bơm ly tâm là loại bơm tốc độ cao, cho nên động cơ truyền động có thể nối trực tiếp vào trục của bơm. Bơm ly tâm cho phép khởi động khi đóng van ở đầu ra của bơm, khi đó máy bơm làm việc ở chế độ không tải và trị số moomen khởi động bằng (0,2 ÷0,3) moomen định mức của động cơ. Đối với bơm ly tâm, tính chọn đúng công suất động cơ và tốc độ động cơ truyền động đóng một vai trò quan trọng vì công su ất P, năng suất Q và chiều cao cột áp H ( áp suất) phụ thuộc vào tốc độ quay ω của động cơ truyền động. 3 2 3 1 2 1 2 2 2 1 2 1 2 1 2 1 ;; ω ω ω ω ω ω === P P H H Q Q (6-1) Từ biểu thức trên ta nhận thấy rằng khi tăng tốc độ động cơ, công suất tăng đột biến, nếu tốc độ quá lớn sẽ làm cho động cơ phát nóng quá giới hạn cho phép. Hình 6.3 Đặc tính cơ của bơm ly tâm Đặc tính quan trọng đối với bơm ly tâm là sự phụ thuộc của năng suất bơm Q vào chiều cao cột H (hình 6.3) Để xác định được hai tham số quan trọng của bơm là Q và H; c ần phải có thông số Q và H của hộ tiêu thụ. Giá trị của chiều cao cột áp trong hệ thống cấp nước gồm hai thành phần: chiều cao cột áp tĩnh H c và chiều cao cột áp động H đ . H = H c + H đ (6-2) Cột áp tĩnh là hiệu của hai mức nước: nước hút và nước đẩy, còn cột áp động xác định bằng lực của chuyển động trong hệ thống đường ống cấp nước, nó tỷ lệ với bình phương của tốc độ dịch chuyển của nước hoặc tỷ lệ bính phương với năng suất của bơm Q, và H cùng có thể tính theo biểu thức sau: 87 H = H c + λQ (6-3) Trong đó: λ là hệ số tỷ lệ. Truyển động bơm công suất nhỏ dùng động cơ không đồng bộ roto lồng sóc, còn bơm có công suất lớn dùng động cơ không đồng bộ cao áp hoặc đông cơ đồng bộ. Từ đồ thị đặc tính làm việc của bơm ly tâm ta thấy rằng: đối với hệ thống cấp nước có chiều cao cột áp tĩnh H c lớn, khi tăng tốc độ quay của động cơ với một lượng không lớn từ n đến n 1 , đường đặc trưng của bơm - đường a không cắt đường đặc tính của phụ tải - đường b (hình 6.3) Điều này đáng quan tâm đối với động cơ truyền động bơm dùng loại không đồng bộ roto lồng sóc; sẽ dẫn đến hiện tượng bơm không cấp được nước vào hệ thống cấp nước và có thể dừng lại khi điện áp lưới giảm. Đối với động cơ đồng bộ, khi điện áp lưới giảm, tốc độ động cơ không thay đổi, nước vẫn được cấp vào hệ thống cấp, chỉ khi động cơ bị quá tải, động cơ sẽ mất đồng bộ và dừng lại. Nếu trong hệ thống cấp nước (phụ tải) có cột áp động lớn (đường c hình 6.3), khi điện áp lưới giảm không dẫn đến dừng động cơ không đồng bộ, nhưng năng suất của bơm giảm đáng kể, còn đối với động cơ đồng bộ, khi điện áp lưới giảm đáng kể (U< 0,85U đm ) sẽ dẫn đến động cơ bị mất đồng bộ và dừng hẳn. b) Bơm pittông: Bơm pittông là một loại bơm thể tích , cấu tạo được biểu diễn trên hình 6.4 Khi động cơ truyền động quay quanh trục O, kéo theo hệ thống trục khuỷu - tay biên 3 và 4 chuyển động quay biến thành chuyển động tịnh tiến qua lại của pit tông 2 trong xi lanh 1. Hai vị trí giới hạn hành trình di chuyển củ a pit tông 2 là A 1 và A 2 ứng với hai điểm chết là C 1 và C 2 . Khi pit tông dịch chuyển sang bên trái, thể tích buồng công tác 5 tăng lên, áp suất tuyệt đối trong buồng của xi lanh giảm hơn so với áp suất trên mặt thoáng của bể hút, khi đó van nén 7 đóng lại, van hút 6 mở ra, và nước từ ống hút chảy vào buồng xi lanh. Khi pit tông di chuyển sang bên phải, thể tích buồng xi lanh tăng, van 6 đóng lại, van nén 7 mở ra và nước từ buồng xi lanh sẽ chảy ra đường ống cấp nước. Đặc tính của bơm pit tông giới thi ệu trên hình 6.5. Hình 6.4 Cấu tạo của bơm pittông 88 Từ họ đặc tính bơm ta thấy rằng với cùng một trị số của chiều cao cột áp, năng suất bơm Q khác nhau, công suất của động cơ truyền động cũng khác nhau. Đặc điểm khác biệt của bơm pit tông là lưu lượng không đồng đều, nhưng áp suất cột áp đạt rất cao (trên 200at). Đối với bơm ly tâm, lưu lượng đồng đều nhưng áp su ất cột áp không cao, nhưng có năng suất cao hơn so với bơm pit tông, nên bơm ly tâm được sử dụng phổ biến hơn. Hình 6.5 Các đặc tính của bơm pittông 6.2 Điều chỉnh năng suất của máy bơm Lượng tiêu thụ nước của phụ tải thay đổi trong một phạm vi khá rộng trong một ngày đêm. Vì vậy điều chỉnh lưu lượng đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống cấp nước. 1. Điều chỉnh lưu lượng bơm bằng cách thay đổi tốc độ động cơ truyền động Đối với hệ thống cấp nước có độ cao cột áp tĩ nh lớn (đường b hình 6.6), khi thay đổi năng suất từ Q 1 đến Q 2 , tốc độ động cơ truyền động thay đổi không đáng kể (từ n 1 đến n 2 ). Đối với hệ thống cấp nước có độ cao cột áp động lớn (đường c hình 6.6), với cùng một lượng thay đổi năng suất (từ Q 1 đến Q 2 ), tốc độ động cơ truyền động thay đổi đáng kể (từ n 1 đến n 3 ). Từ đó rút ra kết luận: Điều chỉnh lưu lượng của máy bơm bằng cách thay đổi tốc độ động cơ truyền động chỉ phù hợp với hệ thống cấp nước có độ cao cột áp tĩnh cao (H c ), còn đối với hệ thống cấp nước có độ cao cột áp động cao không phù hợp vì tổn thất trong roto hoặc trong phần ứng của động cơ tỷ lệ thuận với tốc độ (hoặc hệ số trượt ) của động cơ. Hình 6.6 Đặc tính của bơm khi điều chỉnh lưu lượng 89 2. Điều chỉnh lưu lượng của máy bơm bằng van tiết lưu Là phương pháp điều chỉnh lực cản trong đường ống bằng van tiết lưu, khi điều chỉnh bằng phương pháp này dẫn đến sự xuất hiện một áp suất động ∆H đ gây ra tổn thất công suất trong van tiết lưu bằng: ∆P = Q∆H đ (6-4) Trị số của ∆H trong hệ thống cấp nước có áp suất động cao lớn hơn so với hệ thống cấp nước có áp suất tĩnh cao. 6.3 Tính chọn công suất động cơ truyền động Trang bị điện của một trạm bơm tối thiểu phải có hai hệ truyền động (hình 6.7): 1.Truyền động chính: là truyền động quay bơm. Hệ truyền động này th ường dùng động cơ không đồng bộ điện áp thấp (380V) và cao áp (3 hoặc 6kV), và động cợ đồng bộ. Đối với động cơ có công suất ≥ 100kW, thường dùng động cơ cao áp. 2. Hệ truyền động phụ: là động cơ truyền động đóng mở van thường dùng động cơ không đồng bộ roto lồng sóc điện áp thấp, có đảo chiều quay. 3. Tính chọn công suất động c Công suất động cơ ơ truyền độ ng chính truyền động bơm được tính theo biểu thức sau: ηη γ b QHk Q 1000 = [kW] (6-5) rong đó: lượng riêng của c uất của bơm, m 3 /s; su suất của bơm (0,45 ÷ ệu suất của cơ cấu tr a một bơm T γ - khối hất lỏng Q- năng s H- chiều cao cột áp (áp ất), m; η b - hiệu 0,75) η - hi uyền lực (0,45 ÷ 0,9) Hình 6.7 Sơ đồ điện - thủy động học củ trạm 90 6.4 Sơ đồ khống chế máy bơm ệ truyền động trạm bơm phải đảm bảo các n động cơ truyền động chính đảm bảo hạn chế dòng trong p cơ truyền động công suất nhỏ và trung bình có thể khởi đ g suất lớn, khởi động động cơ dùng b Đối với động cơ đồng bộ , khởi động phức tạp hơn; phương pháp được sử u: thấp… ơm dùng động cơ đồng bộ g dùng bộ nguồn cấp k g máy p suất lắp đặt bé. c biệt là các khâu bảo vệ ộ -24/36, P đm = 625kW, ích từ gồm có các phần tử chính sau: i bộ chỉnh lưu cầu ba pha đấu song song cấu - ng dòng cho hai thyristor b) tự động gồm hai thyristor 1T và 2T; Đ Z1 và Đ Z2 . n áp để đo điện áp nguồn cấp và đưa tín hiệu về mạch điều khiển để tăng cưỡng bức kích từ trong trường hợp điện áp lưới giảm sẽ dẫn đến động cơ bị mất đồng bộ Trong sơ đồ mạch điều khiển h hiệm vụ sau: 1. Khởi động hạm vi cho phép a) Đối với động ộng trực tiếp, qua cuộn kháng hoặc đổ i nối sơ đồ đấu dây dây quấn stato động cơ từ hình sao sang hình tam giác. b) Đối với động cơ không đồng bộ côn ộ khởi động mềm (soft - start) thực chất là bộ điều áp xoay chiều ba pha, hạn chế dòng khởi động bằng cách giảm điện áp đặt vào dây quấn stato động cơ. c) dụng phổ biến nhất là phương pháp không đồng bộ. Để thực hiện khởi động theo phương pháp này, roto của động cơ đồng bộ có hai bộ dây quấn: cuộn khởi động và cuộn kích từ. 2. Điều khiển đóng – mở van 3. Phải có các khâu bảo vệ sa - Bảo vệ quá tải - Bảo vệ đi ện áp 4. Sơ đồ khống chế máy b Hệ truyền động bơm dùng động cơ đồng bộ thườn ích từ bằng máy phát kích từ hoặc bằng bộ chỉnh lưu dùng thyristor. Bộ nguồn kích từ dùng thyristor có nhiều ưu điểm hơn so với dùn hát do: - Công - Độ tác động nhanh, đặ Đ ng cơ truyền động bơm dùng loại DCK-260 n = 165vg/ph. a) Bộ nguồn k - Biến áp động lực 1BA - Cầu chỉnh lưu gồm ha thành từ các thyristor 1T 1 ÷ 6T 1 và 1T 2 ÷ 6T 2 . Biến áp 4BA, 5BA, 6BA có chức năng cân bằ làm việc song song. Thiết bị vào đồng bộ c) Mạch đo lường - 2BA là biến điệ 91 Hình 6.8 Hệ truyền động máy bơm dùng động cơ đồng bộ 92 - TI 1 : biến dòng đo lường dòng tiêu thụ của động cơ và đưa tín hiệu về mạch điều khiển bảo vệ ngắn mạch cho mạch kích từ. d) Nguyên lý hoạt động Một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất trong truyền động bơm dùng động cơ đồng bộ là quá trình khởi động chúng. Quá trình khởi động động cơ đồng bộ bằng phương pháp không đồng bộ diễn ra như sau: Đóng máy cắt MC, động cơ làm việc như một động cơ không đồng bộ roto lồng sóc. Khi tốc độ động cơ còn thấp (s≥ 0,05) điện áp cảm ứng ra ở cuộn kích từ lớn, làm cho điện áp ra Đ Z1 và Đ Z2 thông, thyristor 1T và 2T thông, cuộn kích từ được nối song song với điện trở dập từ R dt và rơle liên động RLĐ tác động, tiếp điểm của nó ở mạch điều khiển mở nên chưa có nguồn cấp cho công tắc tơ KC. Trong quá trình khởi động, tốc độ động cơ tăng dần lên đến khi tốc độ động cơ đạt gần tốc độ đồng bộ (s ≤ 0,05) thì 1T và 2T khóa, điện trở dập từ R dt cắt ra khỏi cuộn kích từ, rơle liên động không tác động, tiếp điểm thường kín của nó sẽ cấp nguồn cho cuộn dây công tắc tơ KC đóng nguồn một chiều với cuộn dây kích từ của động cơ. Dưới tác dụng của hai từ trường: từ trường xoay chiều ở dây quấn stato của động cơ và từ trường của dây quấn kích thích của động cơ do dòng đ iện một chiều sinh ra, kết quả động cơ tự kéo vào đồng bộ, quá trình mở máy động cơ đồng bộ kết thúc. . nước có áp suất tĩnh cao. 6.3 Tính chọn công suất động cơ truyền động Trang bị điện của một trạm bơm tối thiểu phải có hai hệ truyền động (hình 6.7):. áp để đo điện áp nguồn cấp và đưa tín hiệu về mạch điều khiển để tăng cưỡng bức kích từ trong trường hợp điện áp lưới giảm sẽ dẫn đến động cơ bị mất đồng